Design of carbon capture and usage plants in a waste-to-energy context

This study can be divided into two sections, both regarding net CO2 emission reduction in a waste-to-energy (Wte) context and both simulated with Aspen HYSYS, a software commonly used in process engineering. In the first section a carbon capture plant based on monoethanolamine (MEA) is proposed and designed with different configurations in order to be optimally coupled with an incinerator located in northern Italy. Starting from a small-scale demonstration capture plant under development for research purposes, each of the subsequent simulations better accounts for the needs of the incineration plant, such as MEA emissions minimization and satisfaction of other environmental conditions; capture efficiencies up to 88% are reached. A large-scale capture plant, exploiting the same capture method, is also proposed to abate all fossil CO2 emissions from the incinerator. For this plant, an economic analysis was performed and it was shown that an incentive close to 50 €/ton should guarantee returns for the operator. Part-load and sensitivity analyses were conducted in all configurations. The second section of this work deals with thermochemical methanation, proposed as a mean to use the carbon dioxide emitted from an organic fraction municipal solid waste (OFMSW) and pruning biogas plant. Production of green hydrogen through alkaline water electrolysis and its storage were investigated according to the solar availability and they determined the size of the methanation reactors. Methanation cooling allows savings for the anaerobic digestors heating and oxygen can be sold as a by-product. However, the economic analysis pointed out that none of the investigated configurations is currently feasible because of the prohibitive cost, mostly due to electrolyzers. Also for this part of the work, sensitivity analyses were performed.

Questo studio può essere diviso in due parti, entrambe riguardanti la riduzione delle emissioni nette di CO2 in un contesto waste-to-energy (Wte) ed entrambe simulate con il software Aspen HYSYS, comunemente usato nell’ingegneria di processo. Nella prima parte un impianto di cattura della CO2 basato sulla monoetanolammina (MEA) viene proposto e progettato in diverse configurazioni in modo da essere accoppiato al meglio con un termovalorizzatore sito nell’Italia settentrionale. Partendo da un impianto di cattura dimostrativo di piccola taglia sviluppato per scopi di ricerca, ognuna delle simulazioni proposte considera sempre più nel dettaglio le richieste dell’impianto di incenerimento, come la minimizzazione delle emissioni di MEA e la soddisfazione di altri requisiti ambientali; vengono raggiunte efficienze di cattura fino all’88%. Viene proposto anche un impianto di cattura di grande scala, basato sulla stessa tecnologia, per abbattere tutte le emissioni di CO2 fossile del termovalorizzatore. Per quest’ultimo impianto, è stata condotta anche un’analisi economica e viene mostrato che un incentivo di circa 50 €/ton dovrebbe garantire un ritorno economico. Per tutte le configurazioni sono state condotte analisi a carico parziale e di sensibilità. La seconda parte di questo lavoro riguarda la metanazione termochimica, proposta come mezzo per usare la CO2 emessa da un impianto biogas alimentato da rifiuti organici e potature. La produzione di idrogeno verde, tramite elettrolisi alcalina, e il suo accumulo sono stati progettati secondo la disponibilità di risorsa solare e hanno determinato la taglia dei reattori di metanazione. Il raffreddamento dei metanatori permette di risparmiare parte del gas usato per il riscaldamento dei digestori anaerobici e l’ossigeno, prodotto dall’elettrolisi, può essere venduto come prodotto secondario. Tuttavia, l’analisi economica ha mostrato che nessuna delle configurazioni proposte è attualmente fattibile per via del costo eccessivo, causato principalmente dalla sezione di elettrolisi. Anche per questa parte del lavoro, analisi di sensibilità sono state condotte.