Innovative oxyflue SO2 treatment and oxidation plant : modeling and experimental analysis

Pressurized and flameless oxy-combustion of coal is an interesting opportunity to produce low impact electricity with competitive costs. One of the critical point is the treatment of the outlet flue gases coming from this process, burning high sulphur content coal. The aim of this work is to investigate, on a micro-pilot scale, a novel process, called IOSTO (Innovative Oxyflue SO2 Treatment and Oxidation), that combines different strategic aspects: CO2 and SO2 capture and production of sulphuric acid. The project flue gas is composed by: 56% CO2, 2% SO2, 39% H2O, 3% O2 (molar basis); 4.5 kg/h of total flowrate. The process is mainly composed by: a dehydration section; a catalytic reactor, to convert SO2 into SO3; an innovative discontinuous SO3 absorption column. The first step of the analysis concerns the modeling of the plant with the consequent collection of experimental data. Basing on the literature, a preliminary model in Aspen HYSYS® of the catalytic reactor is proposed. The simulation results show the need of a new kinetic model based on experimental data. A power-law model provides the best data fitting. The consecutive simulations show that the reactor operates in fully chemical regime and it doesn’t reach the equilibrium. A design of experiments is applied to the reactor system at two levels. The first one allows to define the experiments to cover the whole operating domain and the second one, a model-based design of experiments, allows to identify optimal additional experimental points. Finally, a dynamic model of the absorption column is provided in Aspen HYSYS®. The model is validated using the project specifications in term of time to produce H2SO4 market grade (hundreds of hours starting from 10 kg of H2O). The outlet gas stream is made by 97% of CO2 (molar basis), ready for geological storage. Moreover, a deep explanation on the experimental profile of the liquid density and H2SO4 concentration, is also provided.

L'ossicombustione pressurizzata e senza fiamma del carbone è un'opportunità interessante per produrre elettricità a basso impatto con costi competitivi. Uno dei punti critici è il trattamento dei fumi di combustione provenienti da tale processo, bruciando carbone ad alto tenore di zolfo. Lo scopo di questo lavoro è quello di indagare, su scala micro-pilota, un nuovo processo, chiamato IOSTO (Innovative Oxyflue SO2 Treatment and Oxidation) che combina diversi aspetti strategici: cattura di CO2 e SO2 e produzione di acido solforico. Il fumo di combustione di progetto è composto da: 56% CO2, 2% SO2, 39% H2O, 3% O2 (base molare); 4.5 kg/h di portata totale. Il processo è composto principalmente da: una sezione di disidratazione; un reattore catalitico, per convertire SO2 in SO3; una colonna di assorbimento di SO3, innovativa e discontinua. Il primo passo dell'analisi riguarda la modellazione dell'impianto con la conseguente raccolta di dati sperimentali. Basandosi sulla letteratura, viene proposto un modello preliminare in Aspen HYSYS® del reattore catalitico. I risultati di simulazione mostrano la necessità di un nuovo modello cinetico basato su dati sperimentali. Un modello power-law fornisce il miglior fitting dei dati. Le simulazioni consecutive mostrano che il reattore opera in regime puramente chimico e non raggiunge l'equilibrio. Un design of experiments viene applicato al reattore a due livelli. Il primo permette di definire gli esperimenti per coprire l'intero dominio operativo e il secondo, un model-based design of experiments, consente di identificare punti sperimentali aggiuntivi ottimali. Infine, viene fornito un modello dinamico della colonna di assorbimento in Aspen HYSYS®. Il modello viene convalidato utilizzando le specifiche del progetto in termini di tempo per produrre H2SO4 commerciale (centinaia di ore a partire da 10 kg di H2O). Il gas in uscita è composto dal 97% di CO2 (base molare), pronto per lo stoccaggio geologico. Inoltre, viene fornita una spiegazione dettagliata sul profilo sperimentale della densità del liquido e della concentrazione di H2SO4.