Carbon capture and sequestration applied to an energy from waste plant

In this thesis the technical and financial feasibility of installing a carbon capture and sequestration (CCS) system in a flue gas treatment line of an energy from waste (EFW) facility is investigated. The energy from waste plant of Milan is taken as reference to perform computations. The flue gas temperature at the stack of the actual plant is 135°C: it is too high to directly perform the carbon dioxide (CO2) capture, so changes at the flue gas treatment line are required. To cool down the flue gas, 3 wet treatment stages are installed on each line. The first one consists of two wet scrubbers to remove the acid components that are still present after the dry treatment section. The second and the third stages are direct contact coolers and they condensate a large share of the water vapor in the flue gas. The possibility of recovering the heat removed from the flue gas and to deliver it to the Milan district heating network has been evaluated. The GS software is adopted to evaluate performances of EFW plant with the flue gas dry treatment stage only and with the wet treatment stages too. The carbon capture and sequestration system is simulated with Aspen. Monoethanolamine (MEA) is used as solvent and it requires around 3.6 MJ per each kilogram of CO2 captured to be regenerated. This amount of energy is quite high: if it is provided by steam bleedings from the turbine, the EfW plant electric efficiency computed with GS, drops by 7.16% on average in the configurations studied in this thesis. The heat delivery to the district heating network it is possible with heat pumps providing heat at a temperature higher than 60°C that is the return temperature of the district heating network. Their operation is justified if the flue gas is cooled down up to 50 °C, for lower flue gas temperatures the heat pumps energy expenditures overcome the larger turbine power output due to a lower mass flow rate of steam bleedings. The effects of the CCS system on the economic balance of an EfW plant have been estimated: the gate fee collected for waste disposal increases of 68% on average to achieve the same financial performance of configurations without CCS systems. Future developments of this study could focus both on technical and financial aspects. From a technical point of view could be interesting the study of alternative solvents for the CO2 capture, as ammonia or mixtures of different kind of amines, to limit the heat of regeneration. More complex layouts could be evaluated from a thermodynamic and financial point of view, e.g. the benefits of the heat recovery from intercooled CO2 compression, or the adoption of an intercooled absorption column could be investigated. From the financial point of view could be interesting study the effects of changes in the regulations on the EfW plant operation, for example it could be studied the effects of a carbon tax on the EfW plant and how it would affect the choice of undertaking investments in carbon capture and sequestration technologies.

In questa tesi l’installazione di un sistema di cattura della CO2 nella linea di trattamento fumi di un termovalorizzatore è valutata sia dal punto di vista tecnico che economico. Il termovalorizzatore di Milano è preso come riferimento per lo svolgimento dei conti necessari. La temperatura di camino dell’impianto di riferimento è 135°C, troppo alta per procedere direttamente con la cattura della CO2. Son quindi richiesti cambiamenti alla linea trattamento fumi. Per raffreddare i fumi, 3 stadi a trattamento ad umido sono installati su ciascuna delle 3 linee del termovalorizzatore. Il primo stadio è costituito da due scrubber ad umido per rimuovere le componenti acide ancora presenti dopo il trattamento a secco. Il secondo ed il terzo stadio sono degli scambiatori diretti che condensano gran parte del vapore presente nei fumi. Nel corso della tesi è stata studiata la possibilità di recuperare il calore della condensa fumi fornendolo alla rete di teleriscaldamento. Il programma GS è stato adottato per valutare le prestazioni del termovalorizzatore nelle diverse configurazioni studiate: con solo trattamento a secco e con anche gli stadi a trattamento umido. Per la simulazione del sistema di cattura della CO2 si è impiegato Aspen Plus. Il solvente impiegato per la cattura della CO2 è la monoetanolammina (MEA) che richiede circa 3.6 MJ per ogni chilogrammo di CO2 catturata per essere rigenerata. Questa quantità di energia è abbastanza alta: se è fornita tramite spillamenti dalla turbina a vapore, l’efficienza elettrica del termovalorizzatore, calcolata con GS, cala in media del 7.16% nelle configurazioni studiate in questa tesi. La fornitura di energia termica, proveniente dalla condensa fumi, alla rete di teleriscaldamento è possibile impiegando pompe di calore che la forniscano ad una temperatura superiore ai 60°C che è la temperatura di ritorno della rete di teleriscaldamento. Il loro funzionamento è giustificato solo se I gas sono raffreddati a 50 °C, se i gas sono raffreddati a temperature inferiori, il consumo energetico delle pompe di calore supera l’incremento della potenza della turbina a vapore dovuto alla riduzione della portata degli spillamenti. Gli effetti economici del sistema di cattura sono stati valutati: la tariffa richiesta per lo smaltimento dei rifiuti aumenta del 68% in media per raggiungere le stesse performance economiche di un termovalorizzatore sprovvisto di un sistema di cattura della CO2. Sviluppi futuri di questo studio potrebbero riguardare sia aspetti tecnici che finanziari. Da un punto di vista tecnico potrebbe essere interessante studiare l’impiego di solventi alternativi per la cattura della CO2, come ammoniaca o miscele di differenti tipi di ammine, caratterizzati da un minor calore di rigenerazione. Schemi d’impianto più complessi potrebbero essere valutati sia dal punto di vista termodinamico che finanziario; ad esempio si potrebbero indagare i benefici del recupero dell’energia termica rilasciata dalla compressione inter refrigerata della CO2. Sarebbe interessante anche valutare l’installazione di una colonna di assorbimento inter refrigerata. Dal punto di vista finanziario si potrebbero indagare gli effetti di cambiamenti nella regolamentazione dei termovalorizzatori, per esempio si potrebbero definire scenari in cui sia applicata ad essi una “carbon tax” sulla CO2 fossile prodotta e valutare come questo influenzerebbe la scelta di investimento in un sistema di cattura della CO2.