Confronto di schemi d'impianto per la cattura dell'anidride carbonica tramite soluzione acquosa di ammoniaca in condizioni gelide

The main objective of this thesis is to evaluate the performance of the process of capturing carbon dioxide in post-combustion, through the use of an aqueous solution of ammonia in cold conditions. Were analyzed three different layouts of the capture plant: the first two are inspired to two different publications of Alstom, a company that first patented this technology with the name Chilled Ammonia Process (CAP), while the third layout represents an alternative configuration that combines some aspects of previous two layouts with additional devices designed to maximize performance. From the statements of Alstom, this system has a very low energy requirement. In addition, the ammonia does not present problems of degradation and its price is lower than the amines which are nowadays the reference technology for post-combustion CO2 capture by chemisorptions. It was defined as a reference case a Ultra Supercritical coal-fired steam power plant retrofitted with an ammonia-type capture plant. To simulate the plant was used the commercial program Aspen Plus and has been used a thermodynamic model developed in collaboration with the Department of Chemistry of Technical University of Denmark in Copenhagen. The main index, describing the performance of the power plant integrated with the capture plant, is the SPECCA. It is, in the best conditions, respectively for the three layouts analyzed, 3,43-3,47-3,29 MJ/kgCO2. These values are lower than the usual values for the capture plant with amines equal to 4.35 MJ/kgCO2. Another import issue concerns the emissions of NH3. This are high and above the target of 10[mg/Nm3]@6%O2-dry using only a water wash-tower. Thus, it is necessary to use an acid wash-tower with H2SO4. The third layout, thanks to additional devices, shows emissions lower than the other two layouts. By the way, this technology has shown promising results in terms of lower electric power consumptions.

L’obiettivo principale di questa tesi è di valutare le prestazioni del processo di cattura dell’anidride carbonica in post-combustione, mediante l’utilizzo di una soluzione acquosa di ammoniaca in condizioni gelide. Sono state analizzate tre diverse configurazioni dell’impianto di cattura: le prime due si ispirano a due diverse pubblicazioni di Alstom, società che ha brevettato tale tecnologia con il nome Chilled Ammonia Process (CAP), mentre la terza configurazione rappresenta una soluzione alternativa che unisce alcuni aspetti delle precedenti configurazioni con degli accorgimenti impiantistici aggiuntivi volti a massimizzarne le prestazioni. Dalle dichiarazioni della Alstom, questo sistema ha una richiesta energetica molto bassa. Inoltre l'ammoniaca non presenta problemi di degradazione e il suo prezzo è inferiore a quello delle ammine che rappresentano al giorno d’oggi la tecnologia di riferimento per la cattura della CO2 in post-combustione. È stato definito un caso di riferimento rappresentato da un impianto a vapore Ultra Supercritico a combustione di carbone al quale è stato integrato l’impianto di cattura della CO2. Per simulare gli impianti è stato utilizzato il programma commerciale Aspen Plus integrato con un modello termodinamico sviluppato in collaborazione con il Dipartimento di Chimica della Technical University of Denmark di Copenhagen. Il principale indice che descrive le prestazioni dell'impianto di potenza integrato con quello di cattura è lo SPECCA. Esso vale nelle migliori condizioni, rispettivamente per le tre configurazioni analizzate, 3,43-3,47-3,29 MJ/kgCO2. Tali valori sono inferiori a quelli usuali che si ottengono adoperando ammine che, nelle migliori condizioni, valgono circa 4,35 MJ/kgCO2. Un’altra importate problematica affrontata riguarda le emissioni atmosferiche di NH3. Queste sono elevate e superiori alla soglia, stabilita nel presente lavoro di tesi, pari a 10[mg/Nm3]@6%O2-secco se si utilizza unicamente una torre di lavaggio con acqua; per questo motivo è stato necessario adoperare una lavaggio acido con H2SO4. La terza configurazione, grazie a particolari accorgimenti impiantistici, presenta delle emissioni di ammoniaca inferiori rispetto alle prime due configurazioni prima del lavaggio acido. Resta il fatto che tale tecnologia mostra risultati promettenti in termini di minori consumi elettrici.