Numerical modelling and techno-economic assessment of a vacuum swing adsorption process for Post-combustion CO2 capture

Solvent-based systems are currently the benchmark technology for post-combustion CO2 capture. However, due to the high energy penalty that they impose on the host plant, other alternatives such as the Vacuum-Swing Adsorption (VSA) are raising attention in recent years not only because of the lower energy penalty but also of the sole use of electricity instead of thermal energy which avoids the heat integration complexities to the host plant. The transient inherent of sorbent-based system’s process steps avoids us to use the commercialized process simulation software for process modelling. In this work, we numerically solved the model equations in transient mode using MATLAB aimed at reaching the Cyclic Steady State (CSS) in which the performance of the system is evaluated. The model is then validated using the data from one of the main pioneer literature in this field. To assess the performance of the system on a large scale, the flue gas data from a 200 MWth WtE plant is used. A cycle scheduling and column sizing methodology is also suggested for supplying a continuous feed to the VSA system while minimizing the footprint of the scaled-up scheme. To reach the final state of 95% purity and 110 bar which is the minimum requirement of a standard CCUS system, the exited stream of the VSA is further treated in a CO2 Purification Unit (CPU). Three different scenarios are compared in terms of technical and economic performances at different recovery levels. The highest recovery scenario with an overall recovery of 91%, resulted in 397 kWh/(tCO2 purified) of electrical energy consumption for the integrated VSA-CPU system. Moreover, the total cost of 108.5 €/(tCO2 purified) is calculated based on the electricity price in 2022, which can be decreased by 20% if the price of electricity will set back to its 2020’s level.

I sistemi a base di solventi sono attualmente la tecnologia di riferimento per la cattura di CO2 post-combustione. Tuttavia, a causa dell'elevata penalizzazione energetica che impongono all'impianto ospite, negli ultimi anni altre alternative come l'adsorbimento oscillante sottovuoto (VSA) stanno attirando l'attenzione non solo per la minore penalizzazione energetica ma anche per il solo utilizzo di energia elettrica invece dell'energia termica che evita le complessità di integrazione del calore alla pianta ospite. Il transitorio inerente alle fasi del processo del sistema basato su assorbente ci evita di utilizzare il software di simulazione del processo commercializzato per la modellazione del processo. In questo lavoro, abbiamo risolto numericamente le equazioni del modello in modalità transitoria utilizzando MATLAB finalizzato al raggiungimento del Cyclic Steady State (CSS) in cui vengono valutate le prestazioni del sistema. Il modello viene quindi validato utilizzando i dati di una delle principali pubblicazioni pionieristiche in questo campo. Per valutare le prestazioni del sistema su larga scala, vengono utilizzati i dati sui fumi di un impianto WtE da 200 MWth. Si suggerisce inoltre una metodologia di pianificazione del ciclo e dimensionamento delle colonne per fornire un'alimentazione continua al sistema VSA riducendo al minimo l'ingombro dello schema in scala. Per raggiungere lo stato finale di purezza del 95% e 110 bar, che è il requisito minimo di un sistema CCUS standard, il flusso in uscita del VSA viene ulteriormente trattato in CO2 Purification Unit (CPU). Vengono confrontati tre diversi scenari in termini di performance tecniche ed economiche a diversi livelli di ripresa. Lo scenario di recupero più elevato, con un recupero complessivo del 91%, ha comportato un consumo di energia elettrica di 397 kWh/(tCO2 purificata) per il sistema integrato VSA-CPU. Inoltre, il costo totale di 108,5 €/(tCO2 purificata) è calcolato sulla base del prezzo dell'elettricità nel 2022, che può essere ridotto del 20% se il prezzo dell'elettricità torna al livello del 2020.