Modelling study on CO2 purification via a liquefaction process

Abstract

The work presented in this master thesis was carried out in collaboration with 3B Fibreglass which is active in the production of fibreglass via an oxyfuel combustion. As lots of chemical processes, the fibreglass manufacturing is responsible for CO2 emission. The purpose of this master thesis is thus to review the different existing techniques of CO2 capture in order to identify the one that best suits the fibreglass manufacturing process used at 3B. As a basis, the furnace F8 is used as several data were collected by Pauline Mordant in a previous master thesis (Mordant, 2021). A broad scientific review of the different processes that can be implemented is carried out in order to select the process that will then be modelled. The different compounds present in the exhaust gas are studied one by one to observe how they impact the recovery of the CO2 as well as its purification and its eventual transport and storage. Indeed, some rigorous standards are fixed for the transport of CO2 which increases the complexity of the studied processes in order to provide a CO2 pure enough and without too many impurities. The water removal, as well as the desulfurization and the denitrification of the exhaust gas is also discussed. The main subject of this thesis is the ternary mixture consisting of CO2, N2 and O2. The limitation of 40 ppm of O2 in the final product is the hardest standard to handle. The two types of low temperature processes broadly discussed in this work are the ones using simple liquid-vapour separation via several flash drums and the ones using a distillation or a stripping column. The latter are discussed as they achieve better purity and especially remove dissolved oxygen within the CO2 in liquid form. The limitation of 40 ppm of O2 in the final product leads to have a CO2 which will be pure at 99.99 mol-% in the case of the exhaust gas from the oxyfuel fibreglass process. The process selected needs to be one using a distillation or a stripping column. This one is a process developed recently (Magli et al., 2022), which uses a liquid-vapour separation before purifying the remaining liquid in a stripping column to reduce the oxygen content to 10 ppm. Once this process selected, the core of this master thesis was to model it by adapting the process to the composition of the flue gas from the oxyfuel fibreglass process at 3B. The modelling of the process led to some adaptations concerning the pressure (35 bar instead of 30 bar) as well as the temperature (-40 °for the inlet of the stripping column) to obtain a product that meets the standards for transport and storage while trying to have the highest capture rate. This modelled process leads to a CO2 recovery of 93.7 % and a product with 28 ppm of O2. The energy consumption for this modelled process is 126.75 kWh/T CO2 captured and purified. The future perspectives of this project would be to make a complete cost study on the modelled process, as well as to further discuss the equipment, the inlet compounds and the thermodynamic model.

Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé en collaboration avec l’entreprise 3B Fibreglass. Cette entreprise est active dans la production de fibres de verre via une combustion à l’oxygène. Comme beaucoup de procédés chimiques, la fabrication de fibres de verre est responsable de l’émission de CO2. L’objectif de ce mémoire est de balayer les différentes techniques de captures de CO2 existantes afin d’identifier celle qui convient le mieux dans le cas de 3B et plus spécialement dans le cas du four F8 d’où proviennent les différentes données utilisées dans ce travail (Mordant, 2021). Une large revue scientifique des différents procédés pouvant être mis en oeuvre dans le cas d’une oxycombustion est donc réalisée. Les différents composés présents dans les fumées d’émission sont étudiés un par un afin d’observer leur impact sur la récupération du CO2 ainsi que sur sa purification et son éventuel transport et stockage. En effet, des normes strictes sont fixées pour le transport du CO2 ce qui augmente la complexité des procédés étudiés afin de fournir un CO2 suffisamment pur. L’élimination de l’eau, ainsi que la désulfuration et la dénitrification des fumées d’émission sont également abordées. Le sujet principal de cette thèse est le mélange ternaire composé de CO2, N2 et O2. La limitation à 40 ppm de O2 représentant la norme la plus difficile à gérer. Les deux types de procédés à basse température largement abordés dans ce travail sont ceux utilisant simplement des séparateurs liquide-vapeur et ceux utilisant une colonne de distillation ou de stripping. Ces derniers permettent d’éliminer l’oxygène dissous dans le CO2 sous forme liquide. La limitation à 40 ppm de O2 engendre l’obtention d’un CO2 pur à 99,99 mol-%. Il est nécessaire de sélectionner un procédé utilisant une colonne de stripping. Le procédé finalement retenu est un procédé développé récemment (Magli et al., 2022) qui utilise une séparation liquide-vapeur avant une purification dans une colonne de stripping pour réduire la teneur en oxygène à 10 ppm. Ensuite, il est nécessaire de modéliser le procédé en l’adaptant à la composition des gaz de combustion du procédé de 3B. La modélisation du procédé a conduit à quelques adaptations concernant la pression (35 bar au lieu de 30 bar) ainsi que la température (-40 ºC pour l’entrée de la colonne de stripping) afin d’obtenir un produit répondant aux normes de transport et de stockage.. Le procédé obtient un taux de récupération de 93,7 % de CO2 et un produit contenant 28 ppm de O2. La consommation d’énergie pour ce procédé modélisé est de 126,75 kWh/T CO2. Les perspectives futures de ce projet seraient de faire une étude de coût complète sur le procédé modélisé, ainsi que de discuter plus en profondeur les équipements utilisés, les composés du flux d’entré et le modèle thermodynamique.