Valutazioni prestazionali di unno schema d'impianto per la cattura dell'anidride carbonica tramite soluzione acquosa di ammoniaca in condizioni fredde

The aim of this work is to evaluate the performance of post-combustion carbon capture process with a solution of water and ammonia in cooled condition. Cooled condition means that the flows that circulate into the plant, are cooled through an air-cooler to a temperature higher than the ambient without the use of a chilling plant. This kind of plant was studied until now in chilled condition because this favors the absorption reactions. The results of these analysis performed so far, show that the highest electric consumption is due to the chilling plant. That is the reason why the condition of the plant have been changed from chilled to cooled. In cooled condition it is possible to change the chillers with air-coolers, those consume more or less one tenth of the electric power. The goal is to evaluate if the electricity saved with the air-coolers is higher than the growth of the other consumes due to disadvantaged absorption reactions. The analyzed case is a post-combustion carbon capture plant applied retrofit on an Ultra Super-Critic coal fired central power. The carbon plant has been positioned after the FGD (Flue Gas Desulfurization). The simulations have been run with Aspen Plus integrated with a thermodynamic model called Extended UNIQUAC, implemented by chemical department of the Technical University of Denmark, in Copenhagen. This model has been completed in August 2014 and this thesis is one of the first numerical works in which it is used. Therefore, before using the model in the simulations, a validation of the thermodynamic model has been performed to show that the results obtained are reliable. The index used to choose the best case is SPECCA index. The acronym means (Specific Primary Energy Consumption for CO2 Avoided) and shows how much primary energy is lost for each kilogram of CO2 captured. A problem of all the plants that uses water and ammonia are ammonia slip in exhaust that leave the capture plant. During the simulations we put the concentration threshold at 130 ppm. 130 ppm are too much for the emission in atmosphere but, after the plans analyzed, there will be an acid wash where the emission limit will be reduced to 10 ppm. This acid wash uses sulfuric acid and produce ammonium salts as ammonium sulphate, a salt that could be used in agricultural industry. The result of SPECCA found after the parametric analysis of the cooled ammonia plant is appealing. Cooled ammonia’s SPECCA in his best case is 2,99MJ/kgCO2 against values as 4,3-3,9-3,8MJ/kgCO2 presented in chilled ammonia cases.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è valutare le prestazioni del processo di cattura post-combustione mediante l’utilizzo di una soluzione acquosa di ammoniaca in condizioni fredde. Con condizioni fredde si intende che i flussi circolanti nell’impianto sono raffreddati tramite scambiatori ad aria al contrario delle condizioni gelide dove invece è previsto l’utilizzo di cicli frigoriferi. In virtù di lavori fatti in precedenza si è presa in considerazione una sola configurazione di impianto alla quale si sono in seguito effettuate alcune modifiche per renderla più efficiente. Molti lavori in passato avevano analizzato questa tecnologia sfruttando però la soluzione acquosa di ammoniaca in condizioni gelide (7°C) in modo da favorire la reazione di assorbimento della CO2 grazie alle basse temperature. In questo modo era però necessaria la presenza di un impianto di refrigerazione che risultava una delle principali spese energetiche dell’impianto. In questa tesi invece ci si propone di evitare l’ingente spesa energetica dovuta ai frigoriferi utilizzando degli air-cooler capaci di portare la soluzione di ammoniaca solo fino a 20°C (prendendo come riferimento 15°C come temperatura ambiente) dovendo quindi compensare il minor assorbimento dovuto a delle reazioni meno favorite facendo circolare portate maggiori all’interno dell’impianto. Infine tramite un confronto dei risultati ottenuti si valuterà quale dei due effetti avrà maggior influenza sull’efficienza dell’impianto e quindi se l’idea di rimuovere i frigoriferi si è rivelata vincente. Il caso di riferimento preso in considerazione è quello di un impianto a carbone Ultra Supercritico integrato con l’impianto di cattura della CO2 a valle dell’unità di trattamento zolfo. Per la simulazione dell’impianto 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 chiamato Extended UNIQUAC. Il modello termodinamico utilizzato è stato completato ad Agosto 2014 e questa tesi fa parte dei primi lavori che lo utilizzano per la simulazione di impianti. A tale proposito, prima di utilizzarlo per le simulazioni, si è dedicato un capitolo alla validazione del modello per verificare la validità dei risultati che verranno esposti. L’indice di merito utilizzato per il confronto tra le due diverse tecnologie è l’indice SPECCA (Specific Primary Energy Consumption for CO2 Avoid), indice che misura l’incremento di consumo di energia primaria per ogni chilogrammo di CO2 catturata tenendo conto sia delle spese energetiche aggiuntive che della penalizzazione di rendimento dell’impianto a carbone. Altra problematica da tenere conto sono le emissioni di NH3. Come limite dopo il lavaggio ad acqua dei fumi si impongono 130ppm . Questo limite imposto non permette l’emissione diretta dei fumi in atmosfera, ma richiede un ulteriore lavaggio con H2SO4 (acido solforico) dalla cui reazione con l’ammoniaca se ne ricava un sale, il solfato d’ammonio (NH4)2SO4, che può essere venduto come fertilizzante nell’industria agricola. L’analisi di quest’ultimo lavaggio non viene però effettuata all’interno di questo lavoro di tesi. I risultati in termini di SPECCA, ottenuti a seguito di un ottimizzazione dell’impianto attraverso un analisi parametrica, sono promettenti poiché si è passati da valori come 4,3-3,9-3,8 MJ/kgCO2 ottenuti precedentemente per il caso chilled ammonia a 2,99 MJ/kgCO2 per il caso cooled ammonia.