background image

Dariusz WAWRZYŃCZAK, Wojciech NOWAK 

Politechnika Częstochowska  

 

 

Adsorpcyjne techniki separacji CO

2

 

 

Przedstawiono  adsorpcyjne  techniki  separacji  dwutlenku  węgla  ze  spalin  kotłowych.  Dla 
wybranych technik separacji CO

2

, takich jak: PSA oraz PTSA przeprowadzono badania rozdziału 

gazów  symulujących  skład  spalin  pochodzących  ze  spalania  węgla  w  atmosferze  wzbogaconej 
tlenem  na  komercyjnym  sorbencie  4A  przy  różnych  wartościach  strumienia  gazu  płuczącego. 
Proces PTSA prowadzono w różnych temperaturach zasilania oraz regeneracji złoża. Dla wybranej 
konfiguracji  procesu  przedstawiono  średnie  stężenia  dwutlenku  węgla  oraz  tlenu  w  produkcie 
wzbogaconym, jak również odzysk dwutlenku węgla z gazu zasilającego złoże. 
 
Słowa  kluczowe:  adsorpcja  zmiennociśnieniowa  PSA,  adsorpcja  zmiennociśnieniowa  i 
zmiennotemperaturowa PTSA, separacja gazów, zeolit 4A. 

 

 

 

1.  Wprowadzenie 

 

Z uwagi na europejskie zobowiązania do przechodzenia na technologie niskoemisyjne 

oraz  konieczność  ograniczenia  emisji  gazów  cieplarnianych  o  20%  do  2020  roku,  rozwój 
technologii  czystego  węgla  powinien  następować  równolegle  z  rozwojem  technologii   
wychwytywania i magazynowania CO

2

 - CCS (Carbon Capture and Storage). 

Istnieją  trzy  główne  technologie  wychwytywania  CO

2

:  przed  procesem  spalania  (pre-

combustion  capture),  po  procesie  spalania  (post-combusiton  capture)  oraz  technologia,  w 
której  spalanie  odbywa  się  bez  obecności  azotu  (znane  jako  oxy-fuel  combustion  lub 
spalanie  z  recyrkulacją  spalin  O

2

/CO

2

,  ale  także  spalanie  w  pętli  chemicznej  –  chemical 

looping combustion) [1]. 

Do  usuwania  CO

2

  stosuje  się  techniki  oparte  na  procesach:  absorpcji  chemicznej  i 

fizycznej,  adsorpcji,  separacji  membranowej,  czy  kriogenicznej.  Z  uwagi  na  dużą 
dyspozycyjność i elastyczność pracy oraz możliwość pełnej automatyzacji procesu [2] do 
badań rozdziału CO

2

 z gazów spalinowych zostały wybrane metody adsorpcyjne. 

Wśród  procesów  adsorpcyjnych  wyróżnia  się:  adsorpcję  zmiennociśnieniową  –  PSA 

(Pressure Swing Adsorption), adsorpcję zmiennociśnieniową z zastosowaniem próżni przy 
procesie  desorpcji  –  VSA  lub  V-PSA  (Vacuum  Pressure  Swing  Adsorption),  adsorpcję 
zmiennotemperaturową  –  TSA  (Temperature  Swing  Adsorption),  łączoną  adsorpcję 
zmiennociśnieniową  oraz  zmiennotemperaturową  –  PTSA  (Pressure  Temperature  Swing 
Adsorption)  oraz  adsorpcję  z  zastosowaniem  niskonapięciowego  prądu  elektrycznego 
przepuszczanego  przez  złoże  podczas  realizacji  etapu  desorpcji  –  ESA  lub  ETSA 
(Electrical Thermal Swing Adsorption). Ponadto adsorpcja zmiennociśnieniowa może być 
realizowana  jako  szybka  adsorpcja  zmiennociśnieniowa  –  RPSA  (Rapid  Pressure  Swing 
Adsorption)  oraz  ultraszybka  adsorpcja  zmiennociśnieniowa  –  URPSA  (Ultra  Rapid 
Pressure Swing Adsorption). 

W

 

metodzie adsorpcji wykorzystuje się różnicę w chłonności sorpcyjnej lub szybkości 

adsorpcji  poszczególnych  składników  rozdzielanej  mieszaniny  gazowej  na  danym 
adsorbencie,  a  proces  przebiega  cyklicznie.  W  technice  PSA  adsorpcja  prowadzona  jest 
pod  zwiększonym  ciśnieniem,  a  desorpcja  przy  obniżonym  ciśnieniu  –  zwykle  przy 
ciśnieniu atmosferycznym. Ciągłość procesu zapewnia zastosowanie systemu składającego 

 

 

 

background image

się  z  kilku lub  kilkunastu  złóż  [3]. Jak  wskazuje  Gomes  V.  i  Yee  K.  [4] proces  PSA  jest 
dobrze  rozwiniętą  techniką  do  usuwania,  a  następnie  do  odzyskiwania  CO

2

  z  gazów. 

Odmianą techniki PSA jest VSA. Dzięki obniżonemu ciśnieniu podczas regeneracji złoża 
(poniżej  ciśnienia  otoczenia)  gaz  w  etapie  adsorpcji  nie  musi  być  znacznie  sprężany. 
Proces VSA został porównany z procesem TSA przez Tlili N. i in. [5], którzy uznali etap 
desorpcji  przebiegający  przy  obniżonym  ciśnieniu  za  bardzo  wydajny,  mogący  zastąpić 
etap płukania czy ogrzewania złoża. Z kolei metoda adsorpcji zmiennociśnieniowej TSA, 
wykorzystująca  różnicę  w  pojemności  sorpcyjnej  sorbentów  w  różnych  temperaturach, 
stosowana  głównie  do  usuwania  lotnych  związków  organicznych,  jest  również  bardzo 
efektywna  w  przypadku  separacji  CO

2

.  Tlili  N.  i  in.  [5]  uzyskali  prawie  czyste  CO

2

  (ok. 

99%) przy odzysku 79%, gdy temperatura desorpcji wynosiła 210°C. Połączeniem metod 
PSA i TSA jest technika PTSA, w której proces realizuje się w różnych temperaturach, jak 
i  ciśnieniach.  Poza  ogrzewaniem  sorbentu  poprzez  gorący  strumień  gazu  lub  płaszcz 
grzejny  możliwy  jest  bezpośredni  sposób  ogrzewania  złoża  za  pomocą  metody  ESA. 
Wymaga  ona  jednak  zastosowania  adsorbentu  będącego  elektrycznym  przewodnikiem. 
Wyniki  uzyskane  przez  Grande  C.  i  Rodrigues  A.  [6]  wskazują  na  konieczność 
zastosowania  adsorbentu  o  większej  pojemności  sorpcyjnej.  Zmierzając  w  kierunku 
ulepszenia  procesu  PSA  pod  względem  efektywności  oraz  wydajności  przeprowadzono 
proces  szybkiej  adsorpcji  zmiennociśnieniowej  RPSA  oraz  ultraszybkiej  adsorpcji 
zmiennociśnieniowej  –  URPSA  [7].  Otrzymane  wyniki  potwierdziły  duży  odzysk 
dwutlenku węgla

 

w odniesieniu do konwencjonalnego procesu PSA, jednakże bardzo mały 

stopień wzbogacenia gazu w CO

2

 [7].

 

Spośród 

wymienionych 

metod 

separacji 

do 

badań 

wybrano 

adsorpcję 

zmiennociśnieniową  –  PSA  jak  również  łączoną  adsorpcję  zmiennociśnieniową  i 
zmiennotemperaturową – PTSA, z uwagi na możliwość zastosowania ciepła odpadowego z 
elektrowni do regeneracji złoża. 
 
 

2.  Część doświadczalna 

 

2.1. Badania termograwimetryczne 

 

Badania  wstępne  sorpcji/desorpcji  CO

2

  na  zeolicie  4A  metodą  analizy 

termograwimetrycznej  TGA  zostały  przeprowadzone  w  różnych  temperaturach.  Przed 
badaniem  sorbent  w  formie  sypkiej  o  wadze  około  15-16  mg  wygrzano  w  temperaturze 
360°C przez 1800 s. Proces sorpcji dwutlenku węgla, a następnie proces desorpcji CO

2

 (w 

atmosferze azotu) zrealizowano dla czterech różnych konfiguracji: 25°C/25°C, 25°C/50°C, 
50°C/75°C,  75°C/100°C.  Czas  obu  etapów  wynosił  po  5400  s.  każdy  (łącznie  z  czasem 
niezbędnym do podgrzania próbki o 25°C wynoszącym 300 s.). Wyniki w postaci zmiany 
masy  próbki  w  %  w  odniesieniu  do  początkowej  masy  próbki  po  dehydratacji 
przedstawiono na wykresie (Rys. 1). 

 

 

 
 
 

background image

0

1200

2400

3600

4800

6000

7200

8400

9600

10800

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

Z

m

ia

n

a

 m

a

s

y

 [

%

]

Czas [s]

 25°C/25°C
 25°C/50°C
 50°C/75°C
 75°C/100°C

 

 

Rys. 1. Krzywe sorpcji/desorpcji CO

2

  

 

Wyższa temperatura podczas procesu sorpcji obniżyła pojemność sorpcyjną zeolitu (z 

13,5% dla 25°C do 11,8% dla 50°C oraz do 10% dla 75°C). 

W przypadku procesu desorpcji CO

2

 dla konfiguracji 25°C/25°C najwyższa desorpcja 

3,2%  wystąpiła po 3200 s. Dla pozostałych konfiguracji i tego samego czasu ubytek masy 
był  równy:  6,1%  (25°C/50°C),  6,4%  (50°C/75°C),  7,3%  (75°C/100°C).  Ostatnie  dwa 
procesy  desorpcji  przebiegały  do  samego  końca,  tj.  do  9000  s.,  dając  ostatecznie  ubytek 
masy  równy  odpowiednio:  6,6%  oraz  7,5%.  Powyższe  dane  potwierdzają  możliwość 
uzyskania  wyższego  stężenia  CO

2

  podczas  realizacji  procesu  wzbogacania  mieszaniny 

gazowej metodami adsorpcyjnymi TSA i PTSA. 

 

 

2.2.  Badania adsorpcyjnych technik rozdziału gazów spalinowych 

 

Badania  zasadnicze  zostały  przeprowadzone  w  dwukolumnowej,  laboratoryjnej 

instalacji  pozwalającej  na  pracę  w  trybie  adsorpcji  zmiennociśnieniowej  –  PSA  oraz 
łączonej  adsorpcji  zmiennociśnieniowej  i  zmiennotemperaturowej  –  PTSA.  W  badaniach 
zastosowano mieszaninę gazów symulującą gazy spalinowe pochodzące ze spalania węgla 
w  atmosferze  wzbogaconej  tlenem  o  składzie:  30%  CO

2

,  10%  O

2

,  60%  N

2

.  Kolumny 

instalacji wypełniono komercyjnym sorbentem 4A o średnicy ziaren ok. 4,5 mm. Pomiary 
stężenia  CO

2

  dokonywano  z  dokładnością  ±1%,  przepływu  ±3%,  zaś  ciśnienia  ±0,25%. 

Zmiany  ciśnienia  podczas  procesu  nie  przekraczały  ±2  kPa,  strumienia  ±5  ml/min, 
temperatury ±5 °C. Proces adsorpcji realizowano przy ciśnieniu bezwzględnym 150 kPa i 
ś

rednim  strumieniu  przepływającego  gazu  ok.  90  cm

3

/min,  zaś  proces  desorpcji  przy 

ciśnieniu bliskim ciśnieniu otoczenia. Regeneracja sorbentu odbywała się poprzez płukanie 
złoża  częścią  recyrkulowanego  produktu  wysokociśnieniowego  w  ilości  ok.  15%  i  30% 
strumienia gazu zasilającego (V

rec

/V

zas

). 

Dla  procesu  PSA  przyjęto  następującą  konfigurację:  etap  adsorpcji  prowadzony  przy 

ciśnieniu  150  kPa,  po  którym  przebiegał  etap  wyrównania  ciśnienia  w  kolumnach,  tj.  do 
125 kPa, poprzedzający rozprężanie współprądowe kolumny po procesie adsorpcji do 120 
kPa  i  rozprężanie  przeciwprądowe  do  ciśnienia  atmosferycznego  ok.  100  kPa.  Czas 
procesu adsorpcji i desorpcji wynosił 900 s. 

background image

Z  kolei  proces  PTSA,  zrealizowany  dla  podobnej  konfiguracji  jak  proces  PSA,  różnił 

się wartościami ciśnień z uwagi na chłodzenie kolumny i kształtował się następująco: etap 
adsorpcji  –  ciśnienie  150  kPa,  wyrównanie  ciśnień  –  do  ok.  120  kPa,  rozprężanie 
współprądowe  do  ok.  115  kPa  oraz  rozprężanie  przeciwprądowe  do  ciśnienia 
atmosferycznego  ok.  100  kPa.  Czas  procesu  adsorpcji  wynosił  900  s.,  zaś  desorpcji 
połączonej z płukaniem i wygrzewaniem kolumny – 450 s. Przez kolejne 450 s. odbywało 
się  chłodzenie  złoża.  Proces  adsorpcji/desorpcji  zrealizowano  w  takich  samych 
temperaturach jak w badaniach wstępnych, tj.: 25°C/50°C, 50°C/75°C, 75°C/100°C. 

Uzyskane  wyniki  w  postaci  średniego  stężenia  CO

2

  i  O

2

  w  produkcie  wzbogaconym 

oraz  odzysk  CO

2

  ze  strumienia  gazu  zasilającego  (Reco)  przedstawiono  na  wykresach 

(Rys. 2, 3, 4). 

Wzrost  temperatury  podczas  regeneracji  złoża  z  25°C  do  50°C  spowodował  wzrost 

stężenia CO

2

 w produkcie wzbogaconym do ok. 48,9% w przypadku Vrec/Vzas 15% oraz 

do  ok.  46,2%  dla  Vrec/Vzas  30%.  Jednocześnie  należy  zaznaczyć,  że  proces  adsorpcji 
rozpoczął  się  przy  niepełnym  wychłodzeniu  złoża  (temperatura  na  początku  procesu 
adsorpcji wynosiła ok. 35°C, zaś pod koniec ok. 30°C). Kolejne doświadczenia wykazały, 
ż

e  przy  wyższych  temperaturach  adsorpcji/desorpcji,  tj.  50°C/75°C  oraz  75°C/100°C  

osiągnięto wyższe stężenie CO

2

 wynoszące odpowiednio ok. 56% i 51,3% dla Vrec/Vzas 

15%, oraz 56,6% i 52,2% dla Vrec/Vzas 30% (Rys. 2). 

 

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

C

O

2

 [

%

]

Temperatura procesu adsorpcji/desorpcji

 15% (Vrec/Vzas)
 30% (Vrec/Vzas)

75°C/100°C

50°C/75°C

25(30-35)°C/50°C

25°C/25°C

 

 

Rys. 2. Wpływ parametrów procesu na stężenie CO

2

 w produkcie wzbogaconym 

 
 
Odzysk  dwutlenku  węgla  ze  strumienia  gazu  zasilającego  był  najwyższy  dla  procesu 

PTSA zrealizowanego przy temperaturze adsorpcji/desorpcji 50°C/75°C oraz 75°C/100°C 
i wyniósł odpowiednio 63,6% oraz 63,0% przy Vrec/Vzas 30% (Rys. 3).  

 

background image

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

75°C/100°C

50°C/75°C

25(30-35)°C/50°C

25°C/25°C

R

e

c

o

 [

%

]

Temperatura procesu adsorpcji/desorpcji

 15% (Vrec/Vzas)
 30% (Vrec/Vzas)

 

 

Rys. 3. Wpływ parametrów procesu na odzysk CO

2

 ze strumienia gazu zasilającego 

 
 

Wyższa  temperatura  w  procesie  adsorpcji  oraz  desorpcji  spowodowała  obniżenie 

stężenia  tlenu  w  produkcie  wzbogaconym  w  dwutlenek  węgla  (Rys.  4).  Dla  tych  samych 
temperatur  (adsorpcja/desorpcja),  ale  różnych  Vrec/Vzas,  stężenie  O

2

  okazało  się 

praktycznie jednakowe. 

 
 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

O

2

 [

%

]

Temperatura procesu adsorpcji/desorpcji

 15% (Vrec/Vzas)
 30% (Vrec/Vzas)

75°C/100°C

50°C/75°C

25(30-35)°C/50°C

25°C/25°C

 

 

Rys. 4. Wpływ parametrów procesu na stężenie O

2

 w produkcie wzbogaconym 

 

 

background image

Przeprowadzone  badania  potwierdziły  wzrost  stężenia  dwutlenku  węgla  w  produkcie 

niskociśnieniowym,  jak  również  wzrost  odzysku  CO

2

  z  gazu  zasilającego  przy 

zastosowaniu wyższej temperatury podczas procesu regeneracji złoża. 

 
 

3.  Podsumowanie 
 
Spośród  przedstawionych  technik  separacji  CO

2

  z  gazów  spalinowych  do  badań 

prowadzonych na komercyjnym sorbencie 4A, oprócz techniki PSA, zastosowano łączoną 
adsorpcję  zmiennociśnieniową  i  zmiennotemperaturową  –  PTSA.  Technikę  PTSA 
wybrano  z  uwagi  na  możliwość  zastosowania  ciepła  odpadowego  oraz  większą  różnicę 
pojemności  sorpcyjnej  adsorbentów  w  różnych  temperaturach  sorpcji/desorpcji. 
Otrzymane  wyniki  badań  procesu  PTSA  porównano  z  wartościami  uzyskanymi  metodą 
PSA. Wzrost temperatury podczas procesu regeneracji złoża do 50°C spowodował wzrost 
stężenia  dwutlenku  węgla  w  produkcie  wzbogaconym  oraz  wzrost  odzysku  CO

2

  z  gazu 

zasilającego.  Jednocześnie  wyższa  temperatura,  przy  której  odbywał  się  proces  adsorpcji, 
tj. 50°C i 75°C nie wpłynęła na pogorszenie odzysku CO

2

, jak również średniego stężenia 

CO

2

 w otrzymanym produkcie niskociśnieniowym. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie 

gorących gazów spalinowych bez konieczności ich schładzania do niskich temperatur. 

W  celu  osiągnięcia  wyższych  wartości  stężenia  dwutlenku  węgla  w  produkcie 

niskociśnieniowym  wymagana  jest  lepsza  optymalizacja  procesu  (dobór  odpowiednich 
wartości  ciśnienia,  konfiguracji,  temperatur,  czasu),  o  czym  świadczą  chwilowe  wartości 
stężenia  CO

2

  we  wzbogaconym  produkcie  –  aż  do  76%  w  przypadku  realizacji  procesu 

PTSA dla temperatur procesu adsorpcja/desorpcja: 50°C/75°C oraz 75°C/100°C. 
 

 

Bibliografia 

 
[1]  CO

2

 Capture and Storage, A VGB Report on the State of the Art, VGB Powertech, 

[2]  Voss Ch, Application of Pressure Swing Adsorption Technology, Adsorption 11, 2005, 527-529, 
[3]  Sposób selektywnej adsorpcji zmiennociśnieniowej, Patent PL163229, 
[4]  Gomes  V.G.,  Yee  K.W.K,  Pressure  swing  adsorption  for  carbon  dioxide  sequestration  from  exhaust 

gases, Separation and Purification Technology 28, 2002, 161-171, 

[5]  Tlili N., Grevillot G., Vallieres C., Carbon dioxide capture and recovery by means of TSA and/or VSA, 

International Journal of Greenhouse Gas Control 3, 2009, 519-527, 

[6]  Grande C.A., Rodrigues A.E., Electric Swing Adsorption for CO

2

 removal form flue gases, Internetional 

Journal of Greenhouse Gas Control 2, 2008, s. 194-202,

 

[7]  Suzuki T., Sakoda A., Suzuki M., Izumi J., Recovery of carbon dioxide from stack gas by piston-driven 

ultra-rapid PSA, Journal of Chemical Engineering of Japan, 1997, 1026-1033.