Simulation sur un projet de traitement des gaz de combustion
en cogénération - Purification aux amines
CO2 pur valorisable
L'évaluation
est basée sur un débit gazeux de 600 m3/h en sortie du moteur
de co-génération dont la composition et la
concentration du flux serait:
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Principaux
composés
|
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Oxygène
(O2)
|
5,5
% (33 m3) |
Dioxyde
carbone (CO2)
|
15,1
% (90,6 m3) |
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Impuretés
diverses (composés minoritaires) dont:
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Monoxyde de carbone (CO)
|
20
mg/m3 |
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Oxyde
d'azote (NO+NO2)
|
434
mg/m3 |
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Dioxyde
de soufre (SO2)
|
8
mg/m3 |
|
Formaldéhyde
(HCHO)
|
1
mg/m3 |
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Poussières
|
2,5
mg/m3 |
Cette
simulation est basée sur la composition du flux gazeux
de gazéification de bois alimentant un moteur de
co-génération.
Les analyses ont été effectuées sur
les gaz d'échappement de ce moteur.
Phase
1: Module AciWash - Traitement des composés minoritaires
Le
but de cette simulation porte sur la purification du dioxyde
de carbone (CO2) pour une valorisation sur site.
-
Cas
du monoxyde de carbone:
CO
+ NaOH + H2O--------> HCOONa (formiate de sodium) + H2O
2
NO2 + H2O ----> HNO2 + HNO3 ---> +2 NaOH ----> NaNO2
(nitrite de sodium) + NaNO3 (nitrate de sodium) + H2O + Q.
chaleur
- Cas
du dioxyde de soufre:
SO2
+ 2 NaOH + H2O -----------> Na2SO3 (sulfite de sodium) + H2O
+ Q. chaleur
2
HCHO + NaOH + H2O ---------------> HCOONa (formiate de sodium)
+ H2O
Les
poussières en faible concentration seront captées
dans ce module de lavage.
Schéma
d'installation :
Mode
opératoire:
La
colonne du module AciWash est mise en charge avec 400 litres d'eau
sodée à pH=10,5 en pied de colonne pour la purification
du flux gazeux pour une durée de 24 h.
La
pompe de circulation de la colonne est activée puis la vanne de
débit des gaz est progressivement libérée et contrôlée au débit
désiré.
La
colonne est ensuite alimentée par une pompe doseuse soude
en maintenant toujours pH 10-11 en colonne sans dépassement
de cette consigne.
A
pH>11 ou sur des "points chauds" de concentration
en soude les réactions concurrentes peuvent se produire:
CO2
+ NaOH -------------------------------------> NaHCO3 "bicarbonate
de sodium" (pKa=6,3)
CO2 + 2 NaOH -----------------------------> Na2CO3 "carbonate
de soude" (pKa=10,33) + H2O
Le
carbonate de sodium (Na2CO3) n'est pas génant en soit car
cette base captera les composés minoritaires. Le seul point
à surveiller: Les conditions de solubilité du carbonate
de sodium dans la colonne de lavage (250 g/L à 25°C
ou 330 g/L à 35°C)
Le
réactif nécessaire pour 24 h. est:
- Lessive
de soude à 30% d=1.33 : 20,09 kg (15,25 litres soit 6,3
kg en pur) pour 5 €
La
pompe de dosage étant alors réglée pour le
débit fixé:
- Pompe
à soude à 30% d=1,33: 0,837 kg/h. (0,629 L/h)
Phase
2: Module
"AmiWah" - Capture et du CO2 par lavage physico-chimique
aux amines
Le
flux gazeux épuré dans le module AciWash est soumis
au lavage aux amines AmiWash pour récupérer le dioxyde
de carbone purifié (CO2) pour sa valorisation.
CO2
+ Amines + H2O ---> Amines,CO2 + H2O + Q.
chaleur -----> Régénération
des amines--------> CO2 + Amines + H2O
Généralités
sur l'absorption chimique aux amines
L'absorption
chimique de CO2 par les amines est une technologie bien connue
et commercialisée.
Elle est compatible avec un flux de gaz à traiter contenant une
faible teneur en CO2 et est efficace à basse pression.
Les concentrations volumiques de CO2 sont comprises généralement
entre 3 et 5 % pour les centrales à gaz et 13 et 15 % pour les
centrales à charbon.
Pour des fumées issues de la combustion des déchets, la concentration
en CO2 se situe entre ces deux fourchettes (5 à 13 %).
Avant
leur entrée dans la colonne d'absorption, les fumées doivent passer
par des unités permettant d'éliminer les NOx, SOx qui doivent
être extraits au maximum des fumées avant que celles-ci ne soient
introduites dans l'absorbeur.
Il est recommandé de ne pas dépasser des teneurs respectives de
20 ppmv et 10 ppmv (NO2).
Elles sont alors à une pression proche de la pression atmosphérique
et à une température avoisinant 50°C.
Une soufflante est placée en amont de l'absorbeur pour augmenter
la pression des fumées (~ 1 à 2 bar) afin de permettre leur ascension
dans la colonne.
Celles-ci sont alors mises en contact avec un mélange aqueux
d'amines circulant à contre-courant et absorbant le CO2.
L'absorbeur consiste le plus souvent en une colonne à garnissage
puisque c'est la technologie de contacteurs en colonne garantissant
les aires d'échange les plus élevées entre le liquide et le gaz
(~ 500 m2 /m3 ).
Il fonctionne à une température d'environ 40-60°C et une pression
d'1 atm.
Le flux gazeux obtenu en haut de l'absorbeur est appauvri en CO2.
En pied d'absorbeur, le solvant chargé en CO2 est pompé puis préchauffé
de 60 à 100 °C avant d'entrer dans la colonne de stripage.
Cette chaleur est récupérée via un échangeur dans lequel circule
le solvant régénéré (T ~ 120°C) issu de la colonne de désorption.
Sous l'effet de la température, les réactions sont inversées avec
relargage du CO2.
La pression dans la colonne de régénération est comprise entre
1 et 3 bars. Le stripage du CO2 est effectué par de la vapeur
d'eau.
L'étape
de régénération du solvant requiert de l'énergie afin de :
- Fournir
l'énergie nécessaire aux réactions chimiques inverses et rompre
les liaisons entre le CO2 et les amines (chaleur de réactions),
- Produire
la vapeur d'eau nécessaire au stripage du CO2,
-
Elever la température du solvant en entrée du désorbeur.
Du CO2 de haute pureté est produit et récupéré au sommet du désorbeur.
Taux de récupération et pureté du CO2 capté généralement 75 à
95 % du CO2 dans le flux de gaz à traiter en entrée est récupéré.
La pureté du CO2 qui peut être atteinte par ce procédé est supérieure
à 99% .
Schéma
de fonctionnement du module AmiWash
Mode
opératoire
Le
flux gazeux en provenance du module AciWash entre dans la tour
du laveur à température d'environ 40°C
-
En pied de colonne, on récupère la solution d’amine enrichie
en CO2.
- La
solution d'amine est maintenant considérée comme riche.
- L'amine
"maigre" et l'amine "riche" traversent l'échangeur
de chaleur chauffant l'amine "riche".
-
L'amine "riche" est alors encore chauffée dans la
colonne de régénération continue par la chaleur fournie par
celle-ci.
La solution d’amine riche en CO2 passe dans un régénérateur
(strippeur) dont la température de fonctionnement est d'environ
120°C.
Elle est introduite en tête du régénérateur à contre-courant
de vapeur d'eau produite en fond de colonne par un réchauffeur.
Cette dernière permet de maintenir la température de fonctionnement
du régénérateur et de concentrer le CO2 en tête de colonne.
En effet, la vapeur produite dans le réchauffeur fournit
l'énergie nécessaire afin d'inverser la réaction amine-CO2 dans
le sens de la libération du CO2.
- La
vapeur qui s'élève à travers le reste libère le CO2, régénérant
l'amine "riche" en amine "maigre".
-
En sortie du régénérateur, l’excès de vapeur d’eau est condensé
tandis que le CO2 est récupéré, puis séché pour
être récupéré pour valorisation .
- L'eau
condensée est séparée dans l'accumulateur de reflux et est retournée
à l'eau.
- L'amine
chaude, régénérée et "maigre" est refroidie dans un
refroidisseur d'air/solvant et re-circulée sur la tour de lavage
avant d'effectuer un nouveau cycle d’absorption/désorption.
Le
module AmiWash doit permettre une production journalière
(24h) de 2 160 m3 (4 032 kg) de dioxyde de carbone pur pour valorisation
in-situ.
Les
amines
FDS:
https://www.alfa.com/fr/content/msds/french/A10837.pdf
Composition
de la solution d'amines
- 2-Amino-2-methylpropanol
(AMP): 270 kg - 45% massiques
- N-methylpiperazine
(MPZ): 90 kg - 15% massiques (Effet très positif d’un activateur
de l’absorption)
- Eau
: 240 litres - 40% massiques
Cette
composition devrait permettre de tabler sur une absorption massique
horaire théorique de 180 kg de CO2 purifié.
Bilans
| Formiate
de sodium (HCOONa) |
0,7
kg |
| Nitrite
de sodium (NaNO2) |
4,6
kg |
| Nitrate
de sodium (NaNO3) |
6,8
kg |
| Sulfite
de sodium (Na2SO3) |
0,2
kg |
- Bilan
journaliers (24 h.) sur le module AmiWash
- La
charge initiale en amines AMP et MPZ représente environ
2 100 € "capital à exploiter" (durée
de vie à déterminer)
- Il
faut par la suite estimer le coût en complément
"pertes d'amines"
En
tablant sur un rendement de 90% de récupération
du CO2 on obtient 1 945 m3 (3 600 kg) pour un coût d'environ
2 100 € (prix des amines mises en oeuvre)
- Considérant
les amines utilisées une seule journée :1,08
€ le m3 ou 0,58 € le kg
- Considérant
les amines utilisées 15 jours : 7,2
centimes € le m3 ou 3,89 centimes € le kg
|
Voir AmiWash