Thermo-economic investigation of aqueous ammonia compared to amine carbon capture for coal-fired power plants

The main focus of this thesis is the study of the post combustion carbon dioxide capture process using aqueous solutions of ammonia. The benchmark technology is based on amine solutions. The main drawbacks for the amine-process are the high heat consumption for the regeneration, around 4 MJ per kg of CO2 captured and the high degradation rate of the reactant. NH3-type process is a promising alternative. It is proposed with two different absorption conditions obtained principally cooling or chilling the flue gas. Alstom, the company that is developing the process with lower temperature, patented it with the name Chilled Ammonia Process. According with the company this system has a very low energy demand. In addition the ammonia has not degradation problems and its price is lower than amine. In this work the impact that this option of capture has on a host power plant is evaluated. The post combustion capture process takes place through chemical reactions in liquid phase. The solution obtained is electrolytic. Specific thermodynamic models are required to study such systems. A reference case is defined and studied. It is represented by a Ultra Supercritical coal-fired steam power plant retrofitted with an amine-type capture plant. The amine employed is the MonoEthanolAmine (MEA). The power plant is simulated with the software developed by the Energy Department of Politecnico di Milano (GS) while the capture plant is investigated with the commercial software for process engineering simulation Aspen Plus. The MEA-type process has been simulated with the built-in model e-NRTL of Aspen Plus. The principal indexes for describing the performance of the retrofitted power plant adopted are the SPECCA and the cost of electricity (COE). For the reference case the value of SPECCA has been calculated to be 4.35 MJ/kg and COE to be around 92 euro/MWhe. The CAP is simulated with e-NRTL model and in collaboration with the Chemical Engineering Department of Technical University of Denmark (DTU) by means of Extended UNIQUAC model. The same power plant used for the MEA capture process is considered for evaluating how much the CAP affects the performance of the integrated power plant. The calculated value for SPECCA is 3.39 MJ/kg and for COE is about 83 euro/MWhe. The main issue for the CAP is the ammonia slip through the treated gases. Some alternatives to reduce the impact of the ammonia slip control on the COE are investigated.

L'obiettivo principale di questa tesi è lo studio di processi per la cattura di anidride carbonica in post combustione. La tecnologia di riferimento è basata sull'impiego di soluzioni di ammine. I principali difetti di questi processi ad ammine sono l'alta richiesta di calore per la rigenerazione (circa 4 MJ/kg di CO2 catturata) e la loro alta degradabilità. Il processo basato sull'impiego di ammoniaca è una alternativa promettente. Esso è proposto in due differenti condizioni di assorbimento ottenute principalmente raffreddando o refrigerando i gas di scarico. Alstom, la società che sta sviluppando il processo con più bassa temperatura, lo ha brevettato con il nome Chilled Ammonia Process. Dalle dichiarazioni della società questo sistema ha una richiesta di energia molto bassa. Inoltre, l'ammoniaca non presenta problemi di degradazione e il suo prezzo è inferiore alle ammine. In questo lavoro è stimato l'impatto che questa opzione di cattura ha su l'impianto che la ospita. Il processo di post combustione avviene attraverso reazioni chimiche in fase liquida ottenendo una soluzione ottenuta è elettrolitica. Per lo studio di questi sistemi sono richiesti specifici modelli termodinamici. E' stato definito e studiato un caso di riferimento, rappresentato da un impianto a vapore Ultra Supercritico a combustione di carbone al quale si integra un impianto di cattura che impiega MonoEtanoloAmmina come reagente. L'impianto di potenza è studiato con il software sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano mentre l'impianto di cattura è simulato con il software commerciale per la simulazione di processi ingegneristici Aspen Plus. Il processo che impiega MEA è stato simulato con il modello termodinamico fornito nel software Aspen Plus: e-NRTL. I principali indice che descrive le prestazioni dell'impianto di potenza integrato con quello di cattura e lo SPECCA e il costo dell'energia (COE). Per il caso di riferimento valgono rispettivamente 4.35 MJ/kg e 92 euro/MWhe. Il processo denominato CAP è stato simulato con il modello e-NRTL e in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università Tecnica della Danimarca (DTU) con il modello Extended UNIQUAC. Lo stesso impianto per la generazione di potenza considerato per il caso di cattura con MEA è stato usato per valutare quanto il processo ad ammoniaca influisca sulle prestazioni dell'impianto stesso. Lo SPECCA calcolato è pari a 3.39 MJ/kg e il COE è circa pari a 83 euro/MWhe. Il principale problema connesso all'impianto con tecnologia CAP è le fughe di ammoniaca dai gas trattati. Alcune alternative per ridurre il costo di abbattimento delle fughe di ammoniaca sono state analizzate.