Modeling and design of water capture and SO2 dissociation from flue gases by direct contact condensation inside structured packing fills

• Auteur / Autrice : Rima El Hitti
• Direction : Denis Clodic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissociation (chimie)

Hygrométrie

Captage et stockage géologique du dioxyde de carbone

Fumée

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Résumé

La condensation à contact direct dans des packing structurés est une nouvelle option technique dans le cadre des applications de dépollution des fumées impliquant simultanément le captage et refroidissement de l’eau. Le travail présenté dans cette thèse est développé pour des fumées de chaudière à charbon avec un système de captage du CO2 par refroidissement à basse température. Le traitement nécessite que l’eau soit capturée et refroidie entre 60 et 15 °C. Les coûts importants du captage de l’eau par les méthodes existantes ont conduit au développement d’un nouveau concept de captage de l’eau, à partir d’une condensation à contact direct avec de l’eau sous-refroidie dans des packing structurés. Le caractère innovant des travaux présentés réside non pas dans l’utilisation de packing structurés, qui est très courante dans les applications de transfert de masse, mais principalement dans l’exploitation des propriétés psychrométriques des fumées humides pour le captage de l’eau. En l’absence de littérature sur le sujet, une étude expérimentale des transferts de chaleur et de masse à l’intérieur d’un canal rectangulaire incliné est établie pour des températures variant entre 15 et 65 °C. L’étude a été réalisée pour un mélange de gaz saturés en contre-courant d’un film d’eau sous-refroidi. A ce niveau de températures le transfert de chaleur dû à la condensation domine, et des corrélations spécifiques à cette dernière sont développées. Une nouvelle approche est alors proposée afin de modéliser la condensation à contact direct dans des packing structurés. Cette approche a pour but une représentation simple d’un système complexe. Un banc d’essais expérimental à l’échelle du laboratoire permet de valider le modèle de la condensation à contact direct. Une nouvelle option de captage du SO2, émergeant de la condensation à contact direct, est alors étudiée. Une étude expérimentale sur l’absorption du SO2 par un film d’eau à vaguelettes est présentée, et le coefficient de transfert de masse dans le gaz fait l’objet du développement d’une corrélation. Un modèle de dissociation, fondé sur les résultats expérimentaux obtenus avec le film d’eau à vaguelettes, est mis en place pour simuler la dissociation du SO2 par condensation à contact direct dans des packing structurés. La nouvelle technique de captage de l’eau dans les fumées est évaluée dans le cas d’une chaudière à charbon de 660 MW. Pour ce cas particulier, la dissociation du SO2 pendant la capture de l’eau est quantifiée. L’utilisation de l’option de dissociation offre un potentiel de réduction de 40 % du coût global. Une étude expérimentale sur la condensation à contact direct de 15 à –40 °C teste la faisabilité à basse température des captages de l’eau et du SO2 en vue d’améliorations futures sur le système.

Direct contact condensation inside structured packing fills is a new technical option in flue gas cleaning application involving simultaneous water capture and cooling. The work presented in this thesis is developed for coal-fired boiler flue gases undergoing treatment for CO2 capture. The treatment requires water capture and cooling from 60 to 15°C. The high costs associated to water capture using available technical options have led to the development of a new water capture concept where capture is carried out by direct contact condensation with sub-cooled water inside structured packing fills. Structured packing fills are widely used in mass transfer applications. The innovation of the present work lies mainly in the use of flue gases psychrometric behavior for water capture. Due to the lack of literature on the issue, an experimental understanding and description of condensation heat transfer inside a tilted rectangular channel is established for temperatures ranging from 15 to 65°C. This description is done for a saturated vapor-gas mixture in countercurrent to sub-cooled wavy water film. At this level of temperatures the condensation heat transfer dominates and specific condensation correlations are established. A new approach is then proposed for modeling direct contact condensation inside a structured packing bed. The approach aims at a simple representation of the complex system. A laboratory scale mock-up validates the direct contact condensation model. A new option for SO2 capture arising from the direct contact condensation heat transfer is investigated. An experimental study on SO2 absorption by a wavy water film is presented. The gas mass transfer coefficient is correlated. A dissociation model, based on the experimental results for the wavy water film, simulates SO2 dissociation by direct contact condensation inside structured packing fills. The new water capture technique is assessed in a case study for a 660 MW coal fired boiler. SO2 dissociation during water capture is evaluated for the case study. A cost analysis shows a potential of 40% cost reduction attainable with the dissociation option. An experimental study on direct contact condensation from 15 to –40°C tests low temperature feasibility of water and SO2 captures for further improvements on the system.