Studio della cattura di CO2 in sistemi IGCC avanzati mediante soluzioni acquose di ammoniaca

The objective of this thesis is to evaluate the performance of the process of capturing carbon dioxide in post-combustion through the use of aqueous solutions of ammonia. The interest for this technology is motivated by several advantages, including low energy demand compared to the amines, the reference technology for the capture of CO2 in the post-combustion. The process patented by Alstom considers the adoption of icy conditions for the solution, resulting in significant energy costs for refrigeration. Therefore they were analyzed two different configurations: the first one, chilled, operates in icy conditions; the second one, cooled, operates in cooled conditions. It is so performed an analysis to optimize the design parameters for both configurations, using the smokes of an IGCC with air gasification, fed from a coal with low sulfur. Evaluating three different target capture, it presents a thermodynamics and chemistry integration, by reacting the emissions of ammonia with the H2S separated in the plant power to produce ammonium sulphate. For this purpose, some simulations were carried out also by adopting a coal with more sulfur. To simulate the capture cross section is used the commercial program Aspen Plus, integrated with a thermodynamic model pre-validated. For the integrated plant was instead used the program GS, developed at the Politecnico di Milano. The SPECCA was adopted as main performance parameter of an integrated plant, with values of about 2.5 MJ/kgCO2 with a low sulfur coal, for both configurations chilled and cooled, and with values of 2.2 MJ/kgCO2 for the coal richer in sulfur for the configuration cooled, the best one. The different values are justified by an important consumption for the refrigeration for the chilled configuration, while the cooled configuration has greater heat duty for regeneration and stripping of ammonia. The final results, with net efficiency for all plant exceed 40%, show that the technology is powerfully promising: SPECCA is indeed more than 3 MJ/kgCO2 for amines.

L’obiettivo di questa tesi è valutare le prestazioni del processo di cattura dell’anidride carbonica in post-combustione mediante l’utilizzo di soluzioni acquose di ammoniaca. L’interesse per questa tecnologia è motivato da alcuni vantaggi tra cui un ridotto impegno energetico rispetto alle ammine, tecnologia di riferimento per la cattura di CO2 in post-combustione. Il processo, brevettato da Alstom, prevede l’adozione di condizioni gelide per la soluzione, con una spesa energetica consistente per la refrigerazione. Sono state analizzate pertanto due configurazioni: una chilled, che opera in condizioni gelide, ed una cooled, che opera in condizioni raffreddate. Si è eseguita quindi un’analisi per ottimizzare i parametri di progetto per entrambe le configurazioni, trattando i fumi di un IGCC con gassificazione ad aria, alimentato con un carbone con ridotto tenore di zolfo. Considerando tre diversi target di cattura, è stata svolta un’integrazione termodinamica e chimica, facendo reagire le fughe di NH3 con l’H2S separato nell’impianto di potenza per produrre solfato d’ammonio. A tale scopo, si sono svolte alcune simulazioni anche adottando un carbone con più zolfo. Per simulare la sezione di cattura è stato utilizzato il programma commerciale Aspen Plus, integrato con un modello termodinamico pre-validato. Per l’impianto integrato è stato invece utilizzato il programma GS, sviluppato presso il Politecnico di Milano. Lo SPECCA è stato adottato quale principale parametro prestazionale dell’impianto integrato, con valori di circa 2.5 MJ/kgCO2 nel caso di carbone con meno zolfo, per entrambe le configurazioni chilled e cooled, e valori di circa 2.2 MJ/kgCO2 nel caso di carbone con più zolfo per la configurazione cooled, la migliore. I diversi valori sono giustificati dal fatto che il caso chilled richiede un importante impegno energetico per la refrigerazione, mentre per il caso cooled si hanno fabbisogni termici maggiori per la rigenerazione e lo stripping di ammoniaca. I risultati finali, con rendimenti netti d’impianto che superano tutti il 40%, mostrano che la tecnologia è energicamente promettente: con le ammine si hanno infatti SPECCA superiori ai 3 MJ/kgCO2.