Small-scale CO2 capture by adsorption : application to a cogeneration plant for the University of Liege campus

From the beginning of the industrial revolution until today, the continuous increase of the anthropogenic greenhouse gases emissions has caused an increase in the average temperature of the planet. In the recent years, in particular, the climate change has been recognized as a global issue that needs to be addressed with targeted interventions, in the first instance in the sector responsible of the greater emission, that is the energy sector which is still based on fossil fuels. In this context, three different solutions are possible: renewable energies, carbon capture and storage (CCS) and the increase of energy efficiency. The present work has the aim to study the carbon capture and storage, technology which will play an important role in the mitigation of the climate changes, allowing the use of fossil fuel and decreasing the CO2 emissions. The carbon capture has been analysed on the small scale with adsorption technology which was examined with reference to a post-combustion application relating to the exhaust gases of the cogenerator of the University of Liège. In particular, vacuum swing adsorption process (VSA) will be studied, which is based on the utilization of one or more adsorbent beds capable of selectively capturing the CO2. The first part of the work was dedicated to the development of a very simple, single-bed, lab-scale model following the study of Ntiamoah et al. (2015). Two different initial bed conditions, ambient conditions and feed conditions were investigated. The model was developed with Aspen Adsorption. After the development of the model, a sensitivity analysis was conducted in order to improve the model performances. A more complex model was then developed, once again on a laboratory scale, with 4 adsorbent beds. This model envisaged a cycle of 16 steps and achieved a CO2 recovery of 63% and a purity of 93%. This model was used as a basic model for the second part of the work. The second part of the study was related to the scaling up of the pilot-scale model, two different procedures were considered. The first one taking into account the length to diameter ratio of the already existing plant and the second one evaluating the dimension with the gas residence time of the base model. The performance obtained from the first was low: recovery 29% and purity 59%, on the other hand, with the other methodology the CO2 recovery reaches 63% and purity 94%. The adsorption process studied has therefore proved to be a technology that can be used on a small scale for CO2 capture. For both developed models, however, further work is needed. In particular, a major study on sizing methodologies and subsequently an optimization of the size of the bed as well as the implementation of a more complex cycle that allows to achieve more competitive performance.

Dall’inizio della rivoluzione industriale ad oggi, il continuo aumento delle emissioni antropogeniche di gas serra ha provocato un aumento della temperatura media del pianeta. Negli ultimi anni, in particolare, il cambiamento climatico è stato riconosciuto come un problema mondiale a cui far fronte con interventi mirati, in primo luogo nel settore responsabile della maggior parte delle emissioni, ossia il settore energetico, che ancora si basa sull’utilizzo di combustibili fossili. In questo ambito, sono tre le possibili soluzioni: l’utilizzo di fonti rinnovabili, la cattura e lo stoccaggio del carbonio (CCS) e l’aumento dell’efficienza energetica. Il presente lavoro ha voluto soffermarsi sullo studio della cattura e stoccaggio del carbonio, tecnologia che svolgerà un ruolo importante nella mitigazione dei cambiamenti climatici, permettendo di utilizzare i combustibili fossili riducendo le emissioni di CO2. L’utilizzo del CCS è stato analizzato su piccola scala con un processo di adsorbimento che è stato esaminato con riferimento a un’applicazione di post-combustione relativamente ai fumi di scarico del cogeneratore dell’Università di Liegi. In particolare, è stata studiata la tecnologia di VSA (vacuum swing adsorption), che si basa sull’utilizzo di uno o più letti adsorbenti in grado di catturare selettivamente la CO2. La prima parte del lavoro è stata dedicata allo sviluppo di un modello molto semplice, a letto singolo, su scala di laboratorio, attraverso il software Aspen Adsorption, seguendo lo studio di Ntimoah et al. (2015). Su questo modello sono state studiate due diverse condizioni di inizializzazione del letto: condizioni ambientali e condizioni di alimentazione. Sul modello così sviluppato, è stata poi condotta un’analisi di sensitività al fine di migliorarne le prestazioni. Successivamente, è stato sviluppato, sempre su scala di laboratorio, un secondo modello più complesso con quattro diversi letti adsorbenti, che prevedeva un ciclo di 16 fasi e raggiungeva un recupero di CO2 del 63% e una purezza del 93%. Esso è stato utilizzato come base per la seconda parte del lavoro, che si è concentrata sul suo ampliamento. A tal fine, sono state considerate due diverse procedure di scale-up: nella prima si è tenuto in considerazione il rapporto lunghezza/diametro di impianti già esistenti, mentre nella seconda sono state valutate le dimensioni del letto con il tempo di residenza del modello di laboratorio di riferimento. La modellazione ha portato ai seguenti risultati: le performance ottenute dalla prima procedura di scale-up sono basse, con un recupero del 29% e una purezza del 59%, mentre, attraverso la seconda metodologia, il recupero di CO2 ha raggiunto il 63% e la purezza il 94%. Il processo di adsorbimento studiato si è quindi dimostrato una tecnologia utilizzabile su piccola scala per la cattura della CO2. Per entrambi i modelli sviluppati, tuttavia, sono necessari ulteriori lavori. In particolare, uno studio maggiore sulle metodologie di dimensionamento e successivamente una ottimizzazione delle dimensioni del letto oltre che all’implementazione di un ciclo più complesso che permetta di raggiungere prestazioni più competitive.