Adsorption process with electrothermal regeneration for post-combustion CO2 capture

La capture du CO2 en sortie d’une centrale thermique constitue un réel défi technologique. Les procédés d’adsorption peuvent être utilisés pour traiter de telles fumées caractérisées principalement par leurs grands débits et leurs faibles teneurs en CO2 (2x106 à 3x106 m3.h-1 pour une centrale de 750 MW, % Vol de CO2 = 12-15 %). Certains procédés d’adsorption existants comme les procédés PSA et TSA ont été utilisés pour le traitement des COV. Dans le cas de l’adsorption modulée en pression (PSA) l’effluent à traiter passe à travers d’un lit fixe d’adsorbant à haute pression. L’adsorbant est régénéré en baissant la pression. Pour l’adsorption modulée en température (TSA), l’adsorbant est régénéré en augmentant sa température. C’est souvent de l’air chaud qui est utilisé pour chauffer le lit. Ces deux procédés ne semblent pas bien adaptés pour la capture du CO2. Alors que le premier nécessite l’augmentation de la pression de grands débits de gaz, le deuxième procédé, basé sur le chauffage avec de l’air chaud, n’est pas énergétiquement efficace. De plus le CO2 récupéré est dilué par de l’air. L’objectif de ce travail est d’étudier un nouveau procédé d’adsorption qui permet de : 1- Traiter de grands débits de gaz à faible pression et capturer la majeure partie du dioxyde de carbone qu’ils contiennent ; 2- Récupérer le CO2 avec une haute pureté ; 3- Réduire le coût énergétique de la régénération. Pour réaliser ce travail, trois procédés d’adsorption ont été examinés expérimentalement et théoriquement : Adsorption avec régénération électrothermique (ESA), Adsorption avec régénération sous vide (VSA) et ESA-VSA couplés. La première étape du travail a consisté à choisir un adsorbant performant. Pour cela, plusieurs solides ont été considérés (charbons actifs, tamis moléculaires carbonés, matériaux polymères, zéolites ...) et deux adsorbants ont été choisis (zéolite 5A et matériau composite PDMS-charbon actif). Dans le cas de la régénération électrothermique, l'adsorbant a été chauffé de façon indirecte, par l'effet de Joule. Après avoir étudié les trois méthodes de régénération expérimentalement, un module de calcul a été développé au moyen de COMSOL la Multiphysics permettant d'ajuster les paramètres de cinétique de transfert de masse pour les étapes d'adsorption et de régénérationThe recovery of CO2 from the fossil fuel power plant flue gas is a very important technical challenge. Adsorption processes can be applied to recover CO2 from such dilute and voluminous flue gas (2x106 to 3x106 m3.h-1 for a 750 MW power plant, CO2 Vol % = 12-15 %). Some existing processes like PSA and TSA have been used for VOCs separation. In pressure Swing Adsorption (PSA) the gas mixture flows through a packed bed of adsorbent at elevated pressure. The bed is regenerated by reducing the pressure. In Temperature Swing Adsorption (TSA), the bed is regenerated by raising its temperature. It is generally based on air heating. These two processes do not seem adapted for CO2 recovery. The first one needs an increase of a very voluminous flue gas pressure. TSA based on air heating is not energitically efficient and it produces diluted CO2. In this work, we aim to study a new adsorption process that permitts to: 1- treat voluminous flue gas at low pressure to recover most of the carbon dioxide that it contains 2- recover CO2 with a high purity 3- reduce the energitic cost of the regeneration To do this work, three adsorption processes were examined experimentally and theoretically: Electrothermal Swing Adsorption (ESA), Vaccum Swing Adsorption (VSA) and coupled ESA-VSA. The first step of the work consisted in the choice of a performent adsorbent. Thus different solids were tested (active carbon, carbon molecular sieves, polymer adsorbents, zeolites...) and two adsorbents which were chosen (zeolite 5A and mixed matrix PDMS-active carbon). For the electrothermal regeneration, the adsorbents were heated indirectly by Joule effect. After having tested the three different ways of regeneration experimentally, different calculation modules were created using COMSOL Multiphysics, permitting adjust the kinetic and mass transfer parameters for both adsorption and regeneratio