Thermodynamic modelling and process design of a CO2 capture unit with amino acid salts solutions for combined cycle decarbonisation

The present work combines experimental and modelling research activities aiming at the assessment of a CO2 capture process operating with non-precipitating amino acid salts solutions coupled with a natural gas combined cycle. During the study, the post-combustion capture unit has been designed targeting 90%mol/mol CO2 removal, and the energy penalty on the power island has been estimated in order to calculate the cost of electricity produced from the plant with capture, and the cost of CO2 avoided. The analysis overcomes the gaps recorded from the literature due to the lack of comprehensive vapor-liquid equilibrium data sets and equilibrium constants, and it is finalized to a techno-economic evaluation as from the following methodology: - Initially, a screening of a selected group of amino acid salts solutions has been carried out, running experimental campaigns at bench scale. Preliminary simulations of the absorption process in the facility have supported test design, and the experimental test results have been analyzed with an in-house data analysis algorithm. Absorption performance evaluation of the different tested solutions has guided towards the selection of 43.7%w/w potassium lysinate as a solvent of interest for further investigation; - An empirical Kent-Eisenberg thermodynamic correlation endowed with Debye-Hückel activity coefficient model has been proposed to estimate the missing equilibrium constants and evaluate CO2 solubility for a solvent loading region characterized by lack of vapor-liquid equilibrium data. Starting from the aforementioned modified Kent-Eisenberg edition, a predictive and thermodynamically sound Deskhmukh-Mather model has been proposed; - An in-house code of the absorption unit simulated with a rate-based model has been developed and validated against monoethanolamine pilot data from the literature. The model has been adapted to design the capture process operating with the identified potassium lysinate solution in a conventional configuration and suitable operating conditions selected based on cross sensitivity analysis on the absorber volume and solvent regeneration duty; - In order to complete the techno-economic assessment, the heat of absorption has been calculated using van’t Hoff equation. Consequently, the reboiler duty for solvent regeneration and plant energy penalty assessment has been estimated at different operating conditions (i.e., loading, liquid-to-gas ratio); - The techno-economic assessment of a natural gas combined cycle coupled with a post combustion capture unit operating with the identified amino acid salt solution has been delivered to evaluate performance, energy and economic indicators; The results of the techno-economic assessment have been compared against a reference CO2 capture commercial system operating with 30.0%w/w monoethanolamine solution, and an emerging advanced capture technology relying on 30.1% w/w (5m) piperazine solution with solvent regeneration under pressure.

Il presente lavoro è volto alla valutazione della fattibilità tecnico-economica di un processo di cattura della CO2 operante con soluzioni di sali di amminoacidi (senza precipitazione) ed accoppiato ad un ciclo combinato a gas naturale. La valutazione include attività di ricerca di tipo sperimentale e modellistico, e consente una prima indagine sulla penalizzazione energetica in termini di variazione di potenza netta prodotta dal ciclo combinato con un tasso di rimozione di CO2 pari al 90% mol/mol. Lo studio tecnico-economico è stato condotto secondo la seguente metodologia: - Screening iniziale di soluzioni a base di sali di amminoacidi selezionate tramite analisi di letteratura, design di campagne sperimentali (bench-scale), simulazioni di processo ed analisi dei dati a supporto dell’attività sperimentale. Questo primo step ha consentito l’identificazione di una soluzione al 43.7% in peso di lisinato di potassio quale solvente di interesse per ulteriori indagini; - Definizione di una correlazione termodinamica empirica secondo l’approccio Kent-Eisenberg, modificato mediante l’introduzione di coefficienti di attività di Debye-Hückel al fine di proporre una stima delle costanti di equilibrio mancanti e valutare la solubilità della CO2 per un intervallo di loading del solvente non investigato mediante dati sperimentali di equilibrio vapore-liquido. Partendo dalla nuova versione di Kent-Eisenberg, è stato proposto un modello di Deskhmukh-Mather predittivo e termodinamicamente robusto; - Design dell’assorbitore con codice in-house sviluppato dal candidato. La simulazione è stata validata con dati pilota del processo di cattura della CO2 con monoetanolamina ed applicata al design di unità di cattura post-combustion operanti con il sale di amminoacido selezionato; - Per completare la valutazione tecnico-economica, il calore di assorbimento è stato calcolato utilizzando l'equazione di van't Hoff. Si è quindi potuto valutare il carico termico richiesto dal ribollitore per la rigenerazione del solvente e la penalizzazione energetica dell'impianto di cattura in diverse condizioni operative (intervallo operativo di loading, rapporto liquido-gas); - Valutazione tecnico-economica di un ciclo combinato di gas naturale accoppiato ad un'unità di cattura post combustione funzionante con la soluzione di sale amminoacidica identificata e valutazione di opportuni indicatori di performance, energetici ed economici; I risultati della valutazione tecnico-economica sono stati confrontati con un sistema commerciale di cattura della CO2 di riferimento operante con una soluzione di monoetanolammina al 30.0% in peso, e una tecnologia di cattura avanzata emergente che si basa su una soluzione di piperazina al 30,1% (5 m) e rigenerazione in pressione.