Low-temperature adsorption for post-combustion CO2 capture from fossil fuel combustion

Abstract

This thesis investigated the application of low-temperature adsorption for CO2 separation in post-combustion CO2 capture (PCC) applications, focusing on both technical and economic aspects. The emphasis was placed at investigating an alternative to traditional amine-based absorption processes using solvents, which are not environmentally friendly, energy-intensive to regenerate, and inefficient at low CO2 concentrations. Adsorption is a well-documented process that remains limited to laboratory-scale applications and requires a theoretical approach to assess industrial applications. Local energy systems with CO2-lean emissions were selected as a potentially suitable industrial area, which is often overlooked at the expense of large-scale coal power generation. The key contribution of the thesis is the development of mathematical model in MATLAB to predict various breakthrough experiments at elevated pressure and continuous operation of vacuum-swing adsorption (VSA) cycle to assess the design and economics of PCC in urban-scale cogeneration and heat plant (CHP). The modelling first focused on simulating CO2 breakthrough curves on zeolite 13X in a fixed-bed adsorber, which were successfully predicted and model validated. The subsequent sensitivity analysis helped to understand the robustness of mathematical modelling, numerical principles, and the impact of key parameters on prediction accuracy. Furthermore, combining the model with empirical process-design criteria and literature review findings allowed for the initial proposal of a VSA system to capture CO2 from emissions produced by a 4.3 MW natural gas-fired CHP, which was selected as a representative of an industrial application. The model was then refined to simulate a continuous 4-step VSA process under non-isothermal and non-isobaric conditions and bring the initial proposal closer to reality. As a consequence, a ready-to-operate CO2 capture plant capable of recovering highly pure CO2 was theoretically designed. The design procedure adhered to the real operating conditions and consisted of selective catalytic reduction, two-step dehydration combining condenser with 3-step temperature-swing adsorption using zeolite 5A, 4-step VSA using zeolite 13X, and a series of auxiliary components. Finally, an economic assessment was carried out for all sub-systems and components found in the CO2 capture plant, providing valuable end-user insights.

Tato disertační práce se zabývá využitím nízkoteplotní adsorpce pro post-combustion záchyt CO2 (PCC) se zaměřením na technické a ekonomické aspekty. Cílem bylo studovat alternativu k tradičnímu procesu chemické adsorpce pomocí rozpouštědel na bázi aminů, které jsou nešetrné k životnímu prostředí, vykazují energeticky náročnou regeneraci a malou efektivitu při nízkých koncentracích CO2. Adsorpce je dobře zdokumentovaný proces, který je však omezen na laboratorní aplikace, což v rámci studia průmyslových aplikací vyžaduje teoretický přístup. Lokální energetické systémy produkující emise s nízkou koncentrací CO2 byly vybrány jako potenciálně vhodná průmyslová oblast, která je často přehlížena na úkor velkých uhelných elektráren. Hlavní přínos práce spočívá ve vývoji matematického modelu v prostředí MATLAB s cílem predikovat experimentálně změřené průrazové křivky při zvýšeném tlaku a kontinuální provoz vacuum-swing adsorpčního cyklu (VSA) se střídavým tlakem pro návrh a ekonomickou analýzu PCC v malokapacitní kogenerační jednotce (CHP). Modelování bylo nejprve použito pro simulaci průrazových křivek CO2 na zeolitu 13X v adsorbéru s pevným ložem, které byly úspěšně predikovány a model validován. Následná citlivostní analýza pomohla lépe porozumět matematickému modelování, numerickým principům a míře vlivu klíčových parametrů na přesnost predikce. Zkombinování modelu s návrhovými empirickými kritérii a poznatky z literatury umožnilo počáteční návrh VSA systému pro záchyt CO2 ze spalin 4.3 MW kogenerační jednotky na zemní plyn, která byla vybrána jako zástupce průmyslové aplikace. Model byl následně upraven do podoby umožňující simulovat kontinuální 4-kroký VSA proces za neizotermických a neizobarických podmínek, což posunulo počáteční návrh blíže k realitě. Důsledkem byl teoretický procesní návrh záchytu CO2 v elektrárně, která je schopna získávat CO2 s vysokou čistotou. Návrhový postup uvažoval reálné provozní podmínky a zahrnoval selektivní katalytickou redukci, dvou stupňovou dehydrataci pomocí kondenzátoru a 3-krokové adsorpce se střídáním teploty používající zeolit 5A, 4-krokovou VSA se zeolitem 13X a sérii pomocných komponent. Nakonec byla provedena ekonomická analýza všech dílčích systémů a komponent v tomto procesu, což koncovému uživateli poskytuje cenné informace.