Techno-economic analysis of cryogenic and hybrid cryogenic-absorption carbon capture technologies

The importance of carbon capture, utilization, and storage (CCUS) in the next decades is undoubted in the path to net-zero emissions and negative emissions scenarios. Among the different carbon capture technologies, cryogenic carbon capture is capable of delivering a CO2 product ready for transport and storage or utilization. The aim of this thesis work is to develop a process layout and to determine the most convenient operating conditions of a carbon capture technology based on cryogenic distillation. The binary system CO2-N2, representative of a general flue gas coming from a fossil fuel combustion power plant, has been characterized from a thermodynamic point of view to find temperature, pressure, and composition conditions not forming solid CO2 during the cryogenic carbon capture process. A first comparison between cryogenic flash separation and cryogenic distillation has shown that cryogenic distillation is less energy intensive and can provide a product with higher CO2 purity. CO2 concentrations in the feed gas higher than 40 mol%, needed to obtain CO2 recoveries higher than 70%, can be provided by previous bulk removal processes in a hybrid capture process where the cryogenic separation is the finishing step or by oxy-fuel combustion processes. A comparison with a literature work, with a feed gas coming from oxy-fuel combustion, focused on cryogenic flash separation, confirmed the higher energy efficiency of cryogenic distillation. Then, different process layout alternatives have been compared from an economic point of view and the most convenient configuration has been selected, balancing capital and operating costs. Finally, a hybrid capture process where cryogenic distillation is the bulk removal step and DEPG absorption is the finishing step has been considered. Energetic and economic analyses have shown that the hybrid process, delivering a CO2 product respecting the stringent requirements of both Enhanced Oil Recovery (EOR) and the food industry, is less energy intensive than the standalone cryogenic distillation, but is characterized by higher capital costs.

L’importanza della cattura della CO2 nei prossimi decenni è fuori discussione per quanto riguarda il raggiungimento di scenari a emissioni zero. Tra le diverse tecnologie di cattura della CO2, con la cattura criogenica è possibile ottenere un prodotto che rispetta le specifiche per il trasporto, lo stoccaggio o l’utilizzo. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare un processo di distillazione criogenica per la cattura dell’anidride carbonica. Con lo scopo di determinare le condizioni operative per cui non si viene a formare CO2 solida durante il processo, il sistema binario CO2-N2, rappresentante un tipico gas esausto da sistemi a combustibili fossili, è stato caratterizzato a livello termodinamico. Un primo confronto tra separazione criogenica con flash e distillazione criogenica ha mostrato che la distillazione richiede meno energia e può dare un prodotto a maggiore purezza. Recuperi di CO2 maggiori di 70% si possono ottenere solo partendo da gas con concentrazioni di CO2 maggiori di 40% molare, ottenibili da precedenti processi nel caso di processi ibridi con la cattura criogenica come step finale, oppure da processi a ossicombustione. Il confronto con un lavoro in letteratura, che si basa sulla cattura criogenica con flash di un gas esausto derivante da ossicombustione, ha confermato la maggiore efficienza energetica della distillazione. Dopodiché, diverse alternative per il processo di distillazione criogenica sono state confrontate in termini di convenienza economica ed è stato selezionato il processo più conveniente facendo un bilancio tra costi di investimento e costi operativi. Infine, un processo ibrido con la distillazione criogenica come step inziale e l’assorbimento con DEPG come step finale è stato preso in considerazione. Analisi energetiche ed economiche hanno mostrato che il processo ibrido, in grado di fornire una CO2 che rispetta i requisiti per il recupero assistito del petrolio EOR e per l’utilizzo nell’industria alimentare, richiede meno energia della distillazione da sola ma presenta maggiori costi di investimento.