Techno-economic investigation of mixed-salt technology implementation in cement plants for CO2 capture

The purpose of the thesis is to apply a promising CO2 capture technology, the Mixed-Salt Technology (MST), to the flue gas of a cement plant, and assess the competitivity of MST in comparison with other CO2 capture processes (i.e., MEA process, CAP, oxyfuel, calcium looping). The capture plant is simulated through the software Aspen Plus, integrated with the Extended-UNIQUAC thermodynamic model. A sensitivity analysis is carried out to determine the optimal set of design parameters, in terms of SPECCA. Two cases are selected, differing in potassium carbonate content of the lean solvent stream. SPECCA values are 2.86 MJ/kgCO2 for case A (1.5 molK2CO3/kgH2O) and 2.82 MJ/kgCO2 for case B (2 molK2CO3/kgH2O). An economical assessment of the retrofitted CO2 capture plant is performed. The optimal MST set-up is case A, that has a Cost Of Clinker (COC) of 103.4 euro/tclk and a Cost of Avoided CO2 (CAC) of 61.8 euro/tCO2 . This does not correspond to the best performing in terms of SPECCA, due to the higher solvent make-up costs of case B. MST case A shows lower CAC and COC than those the other solvent-based CO2 capture technologies (MEA process and CAP), while they are higher than those of the oxyfuel and calcium looping tail-end.

Lo scopo dell'elaborato è quello di applicare una promettente tecnologia di cattura della CO2, basata sull'assorbimento con solvente acquoso a base di ammoniaca e carbonato di potassio (Mixed-Salt Technology, MST), ai fumi di un cementificio, e valutarne la competitività rispetto ad altri processi di cattura della CO2 (MEA, CAP, ossicombustione, calcium looping). L'impianto di cattura è simulato tramite il software Aspen Plus, integrato con il pacchetto termodinamico Extended-UNIQUAC. Un'analisi di sensitività è svolta per individuare il settaggio ottimo dei parametri di progetto dell'impianto, in termini di SPECCA ottenuto. Due casi vengono selezionati. Questi differiscono per la quantità di carbonato di potassio contenuta nel solvente. I relativi SPECCA sono 2.86 MJ/kgCO2 per il caso A (1.5 molK2CO3/kgH2O) e 2.82 MJ/kgCO2 per il caso B (2 molK2CO3/kgH2O). Successivamente viene eseguita un'analisi economica dell'intervento di retrofit dell'impianto. Il set-up ottimo è il caso A, che comporta un costo del clinker (COC) di 103.4 euro/tclk e un costo della CO2 evitata (CAC) di 61.8 euro/tCO2 . L'ottimo economico differisce dall'ottimo in termini di SPECCA a causa dei maggiori costi relativi al reintegro di solvente nel caso B. Il caso A della cattura con MST mostra minori COC e CAC rispetto alle altre tecnologie a base solvente (MEA e CAP), mentre sono superiori rispetto a quelli della cattura con ossicombustione e calcium looping.