Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Semi-dry desulfurization is one of the methods used for SO2 removal from the effluent gases of electrolysis cells in aluminum smelters. This method does not require any additional equipment (post-treatment equipment), making it an economical method. It is more efficient than dry desulfurization since the presence of water vapor increases the rate of reaction. As opposed to thermal power plants, the outlet gases of electrolytic cells are at low temperatures and contain a low concentration of SO2. In the absence or the presence of humidity, powdered alkaline sorbent (hydrated lime) can be injected into the SO2-containing gas (gas phase). The reaction is controlled by the adsorption of SO2 onto the lime surface. During this project, a mathematical model of a lab-scale scrubber was developed using two different modelling approaches: Eulerian – Eulerian and Eulerian – Lagrangian. In the first model, a Eulerian-Eulerian modelling was carried out. The laboratory reactor has a filter to separate the lime particles from the gas. It was defined as a porous medium. In this part, lime was assumed as a highly viscous (but Newtonian) liquid; and a multi-phase flow (gas-liquid), including the reaction between lime and SO2, were modeled under isothermal and turbulent conditions. The reaction rate was defined using the C language via a user-defined function (UDF) using Ansys-Fluent commercial software. A parametric study was carried out to investigate the effects of the sorbent amount, humidity (with and without), and the inlet SO2 concentration on the desulfurization efficiency. The results of this model are considered as preliminary results showing that the humidity can significantly increase the desulfurization efficiency. However, the model predictions are not as accurate as the second approach explained below. This is due to the fact that it does not represent the physics that occurs in reality. In the second part, the representation of the reaction taking place is closer to the actual mechanism. The model which uses Eulerian- Lagrangian approach solves the reaction at the surface of lime particles (gas-solid multi-phase reacting flow) to remove the SO2 whereas the particles were not represented in the previous model. The solid phase was taken as a viscous liquid. Thus, the reaction took place between the continuous viscous phase and the gas phase and not between individual particles and gas. Through the two-way coupling of the DPM (Discrete phase model) model using Ansys-Fluent software, the effects of both continuous gas phase (SO2 and air) and dispersed phase (particle phase) on each other were considered such as effect of particle size on the gas flow profile. It is a steady state, transient, and isothermal model. The flow was taken as turbulent and particle trajectories were calculated for two different particle sizes. The reaction rate was introduced into the model using UDF, similar to the previous model. A parametric study was carried out to investigate the effects of particle size, sorbent amount (Ca/S), and relative humidity (RH) on desulfurization efficiency. The results of the latter modelling approach, which deals with gas-solid reactions, showed that particle size is the most important parameter; as the particle size decreases, the desulfurization efficiency increases. However, using finer particles may result in a higher cost due to the additional cost of particle size reduction. Using coarser particle sizes reduced the SO2 capture efficiency, which could be compensated by increasing relative humidity (RH) in the gas as shown by the model results.

La désulfuration semi-sèche est un moyen efficace d'élimination du SO2 des gaz effluents des cellules d'électrolyse dans les alumineries. Cette méthode ne nécessite aucun équipement supplémentaire pour le post-traitement, ce qui la rend une méthode économique. Le dioxyde de soufre (SO2) est efficacement éliminé des gaz effluents des alumineries par désulfuration semi-sèche. Contrairement aux centrales thermiques, ces gaz sont à basse température et contiennent une faible concentration de SO2. En l'absence et en présence d'humidité, un sorbant alcalin en poudre – chaux hydratée – est injecté dans le gaz contenant du SO2 (phase gazeuse). La réaction est contrôlée par l'adsorption de SO2 sur la chaux. Au cours de ce mémoire, un épurateur à l'échelle du laboratoire a été modélisé mathématiquement à l'aide de deux approches de modélisation différentes : eulérienne - eulérienne et eulérienne - lagrangienne. Dans la première partie de ce mémoire, la modélisation eulérienne-eulérienne est considérée incluant un filtre défini comme un milieu poreux. Dans cette section, la chaux est considérée comme un fluide hautement visqueux (mais Newtonien) à travers une réaction dans un écoulement multiphasique (gaz-liquide), isotherme et turbulent, où la vitesse de réaction cinétique est définie à l'aide du langage C de la fonction définie par l'utilisateur (UDF) en utilisant le logiciel commercial Ansys-Fluent. Une étude paramétrique a été réalisée pour étudier les effets de la quantité du sorbant, de la présence et de l'absence de l'humidité et de la concentration de SO2 à l'entrée sur l'efficacité de la désulfuration. Il est considéré comme un résultat préliminaire montrant que l'humidité peut augmenter considérablement l'efficacité de la désulfuration ; cependant, il n'est pas aussi précis que la deuxième section. Cela est dû au fait qu'il ne reflète pas la physique, ce qui se produit en réalité, exactement. Dans la deuxième partie, la réaction suit la physique réelle qui se produit. Cette fois, le modèle est capable de tenir compte de la réaction, à la surface des particules, des réactifs (écoulement réactif multiphasique gaz-solide) pour éliminer le SO2. Grâce au couplage bidirectionnel du modèle DPM (modèle à phase discrète), les effets de la phase continue (gaz) et de la phase dispersée (particules) l'une sur l'autre sont pris en compte, illustrant comment les caractéristiques des particules affectent la distribution du gaz, etc. Les conditions évaluées sont à la fois stationnaires et transitoires dans un écoulement isotherme et turbulent, tandis qu'un suivi complémentaire des particules pour deux tailles de particules différentes a été effectué. La vitesse de réaction est introduite dans le modèle en utilisant UDF, comme dans la section précédente. Une étude paramétrique a été réalisée pour étudier les effets de la taille des particules, de la quantité du sorbant (Ca/S) et de l'humidité relative (HR) sur l'efficacité de la désulfuration. Les résultats de cette dernière approche de modélisation qui traite de la réaction gaz-solide montrent que la taille des particules est le paramètre le plus important ; à mesure que la taille des particules diminue, l'efficacité de la désulfuration augmente. Cependant, la production de particules plus fines pourrait engendrer des coûts supplémentaires. L'utilisation de tailles de particules plus grossières entraînerait une réduction de l'efficacité de capture du SO2; mais, cela pourrait être compensé par une augmentation de l'humidité relative (HR) dans le gaz, qui est un autre paramètre critique du procédé.