Post-Combustion CO2 Capture by Vacuum Swing Adsorption Using Zeolites – a Feasibility Study

• Published in: Oil & gas science and technology Vol. 69; no. 6; pp. 989 - 1003
• Main Authors: Pirngruber, G. D., Carlier, V., Leinekugel-le-Cocq, D.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Technip 01.11.2014; Institut Français du Pétrole (IFP); EDP Sciences
• Subjects: Physics
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189
• DOI: 10.2516/ogst/2012067

Simulation results in the literature suggest that Vacuum Swing Adsorption (VSA) processes using physisorbents might largely outperform the current state-of-the-art post-combustion CO2 capture technologies based on amine solvents in terms of energy consumption. Most studies consider the zeolite NaX as adsorbent. NaX has a very strong affinity for CO2 but is difficult to regenerate and very sensitive to the presence of water in the flue gas. By tuning the polarity of the adsorbent, it might be possible to find a better compromise between adsorption capacity, regenerability and sensitivity to H2O. In the present contribution, we therefore screen the performance of a series of zeolites as physisorbents in a VSA process for CO2 capture. The adsorbents are tested by breakthrough experiments of a dry and wet model flue gas, in once-through and cyclic operation. The most interesting material, zeolite EMC-1, is selected for numerical simulations of a full VSA cycle, in comparison with zeolite NaX. Both solids satisfy the performance targets in terms of recovery (> 90%) and purity of CO2 (> 95%) but the very low pressure required for regeneration of the adsorbents will be a serious handicap for the deployment of this technology on a large scale. Les résultats de simulation issus de la littérature suggèrent que les procédés d’adsorption modulée en pression avec désorption sous vide (Vacuum Swing Absorption, VSA) employant un physisorbant sont nettement moins efficaces d’un point de vue énergétique que le procédé de référence de captage de CO2 par absorption aux amines. La plupart des études considèrent la zéolithe NaX comme adsorbant. La NaX présente une très forte affinité pour le CO2, mais elle est difficile à régénérer et est très sensible à la présence d’eau dans les fumées. Jouer sur la polarité de l’adsorbant doit permettre de trouver un meilleur compromis entre capacité d’adsorption, caractère régénérable et sensibilité à l’eau. C’est pourquoi, dans cette contribution, nous avons testé une série de zéolithes afin d’évaluer leur performances comme physisorbants dans un procédé de captage de CO2 par VSA. Les adsorbants sont testés par adsorption de fumées modèles séches et humides sur un lit d’adsorbant, en perçage et en conditions cycliques. Le matériau le plus intéressant, la zéolithe EMC-1, est choisi pour la simulation d’un cycle VSA complet, en comparaison avec la NaX. Les deux adsorbants atteignent les objectifs en termes de rendement (> 90%) et de pureté du CO2 (> 95%), mais le très faible niveau de pression nécessaire à la régénération de l’adsorbant sera un handicap de poids pour l’utilisation de cette technologie à grande échelle.