A Comprehensive Model of the Dry Desulphurisation Process Une modélisation non empirique du procédé de désulfuration par voie sèche

Abstract

Due to the high investment cost of the wet scrubbing, the dry desulphurisation process remains an attractive way to remove sulphur dioxide when reduction level should not be higher than 90%. In this technique, the SO2 is removed from flue gases by direct injection of small calcium based sorbents such as calcium carbonate (CaCO3) or calcium hydroxide (Ca(OH)²) . The sorbent is first transformed into calcium oxide (CaO) before reacting with SO2 to form a stable calcium sulphate (CaSO4). Although the global reactions are rather simple, a full description of the mechanism requires the knowledge of both, the initial physical properties of the sorbent and the evolution of these properties during the reaction. Furthermore, the way how particles are injected and dispersed into the SO2 containing gases is also a major issue of the dry desulphurisation process. Both aspects are considered in this paper since a specialised routine was build to describe the calcination-sulphation process and coupled with the KIVA code to perform 3D calculations under real industrial conditions. The desulphurisation model was first tested alone using the kinetic data of the International Flame Research Foundation and then, coupled with KIVA to simulate the desulphurisation process in a new type of boiler which is developed by BABCOCK Entreprise and the Institut Français du Pétrole (the AUDE boiler). In this last case, the objective was to determine the sorbent injection locations leading to the highest desulphurisation efficiencies. As the dispersion of particles is an important parameter of the desulphurisation process, an example of validation of the KIVA dispersion model is also presented in this paper. For the selected test case, i. e: particle dispersion in a plane mixing layer, a good agreement was found between the experimental results of Ando et al (1990) and the calculations performed with KIVA. Par suite du coût d'investissement très élevé du procédé de lavage humide des fumées, le procédé de désulfuration par voie sèche reste un moyen attractif pour éliminer le dioxyde de soufre lorsque le taux de réduction souhaité ne dépasse pas 90 %. Dans cette technique, l'élimination du SO2 se fait en injectant directement dans les produits de combustion de très fines particules d'un absorbant calcique tel que le calcaire (CaCO3) ou la chaux (Ca(OH)²). L'absorbant est tout d'abord transformé en oxyde de calcium (CaO) avant de réagir avec le SO2 pour former un composé stable : le sulfate de calcium (CaSO4). Bien que les réactions globales soient extrêmement simples, une description complète des mécanismes nécessite de connaître à la fois, les propriétés physiques initiales de l'absorbant et leur évolution durant la réaction. De plus, les conditions d'injection des particules jouent un rôle prépondérant dans le procédé de désulfuration par voie sèche. Tous ces aspects sont traités dans ce papier. Le modèle de désulfuration a d'abord été testé seul par comparaison avec les données cinétiques de la Fondation Internationale de Recherches sur les Flammes (FRIF), puis, couplé avec le code KIVA, il a été utilisé pour simuler la désulfuration dans un nouveau type de chaudière développée par Babcock Entreprise et l'Institut Français du Pétrole (chaudière 'AUDE'). Dans ce dernier cas, l'objectif poursuivi était de déterminer la meilleure configuration à donner au système d'injection des particules pour obtenir un taux de désulfuration maximum. La dispersion des particules étant un paramètre important du procédé de désulfuration, un exemple de validation du modèle de dispersion est également traité. L'injection de particules dans une couche de mélange a été choisie comme cas test. L'accord entre les valeurs expérimentales de Ando et al. (1990) et les calculs effectués avec KIVA est satisfaisant.