Application of membrane gas separation processes to CO2 and H2 recovery from steelmaking gases for carbon capture and use - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2017

Application of membrane gas separation processes to CO2 and H2 recovery from steelmaking gases for carbon capture and use

Étude du traitement et de la valorisation des gaz de haut fourneau de l’industrie sidérurgique par des procédés de perméation membranaire appliqués à la récupération sélective de CO2 et H2

Abstract

Steel is produced today mainly in a blast furnace-oxygen converter process, leading to three main types of emissions: blast furnace gas (BFG), coke oven gas (COG), and converter gas (BOFG). In the framework of the VALORCO project, an analysis of the possibilities for reducing carbon emissions, combined with the valorization of emissions from the steel industry, was carried out. One of the routes studied is the production of compounds of industrial interest such as methanol, which can be produced by chemical transformation of the CO and / or CO2 contained in the emissions associated with hydrogen. The main objective of this thesis work is to evaluate the possibilities offered by the gas permeation process applied to the selective recovery of these compounds in the three types of emissions. Initially, a state of the art of the various projects dedicated to the capture (CCS) and the valorization (CCU) of the emissions in the steel industry is presented, with particular attention to the different gas separation technologies. Experimental measurements of selectivity and permeance for different temperature and pressure conditions, carried out on a dedicated bench with two commercially available membrane materials, one selective to hydrogen (glassy) and one to CO2 (rubbery), allowed a systematic parametric study by simulation of the separation performance of the process applied to the BFG, COG and BOFG. A comparison of the processes based on one or more permeation stages, including recirculation loops, was then undertaken in a Process System Engineering (PSE) environment (Aspen Plus software). The influence of the operating parameters (pressure ratio, temperature, stage cut) on the separation performance was evaluated, leading to a mapping of attainable compositions. The energy consumption and the membrane surface required for each configuration allow a techno-economic optimization of the process, on the basis of an economic model integrated to the simulation conditions
L’acier est produit aujourd’hui principalement en faisant appel à une technologie basée sur le procédé haut fourneau-convertisseur à l’oxygène, conduisant à trois types d’émissions principales: le gaz de haut fourneau (BFG), le gaz de cokerie (COG), et le gaz de convertisseur (BOFG). Dans le cadre du projet VALORCO, une analyse des possibilités de réduction des émissions carbonées, associée à une valorisation des émissions de la sidérurgie, a été réalisée. Une des voies étudiées est la production de composés d’intérêt industriel tel que méthanol, pouvant être produit par transformation chimique du CO et/ou CO2 contenus dans les émissions, associé à de l’hydrogène. L’objectif principal de ce travail de thèse consiste à évaluer les possibilités offertes par le procédé de perméation gazeuse, appliqué à la récupération sélective de ces composés dans les 3 types d’émissions. Dans un premier temps, un état de l’art des différents projets dédiés à la capture (CCS) et à la valorisation (CCU) des émissions dans l’industrie de l’acier est présenté, avec une attention particulière aux différentes technologies de séparation des gaz. Des mesures expérimentales de sélectivité et de perméance pour différentes conditions de température et de pression, réalisées sur banc dédié avec deux matériaux membranaires disponibles commercialement et sélectif à l’hydrogène (vitreux) et au CO2 (élastomère) ont permis une étude paramétrique systématique par simulation des performances de séparation du procédé appliqué au BFG, COG et BOFG. Une comparaison des procédés basés sur un seul ou plusieurs étages de perméation, y compris avec des boucles de recirculation, a ensuite été entreprise dans un environnement de type Process System Engineering (PSE, logiciel Aspen Plus). L’influence des paramètres opératoires (rapport de pression, température, taux de prélèvement) sur les performances de séparation a été réalisée, conduisant à une cartographie des compositions atteignables. La consommation énergétique et la surface membranaire nécessaires pour chaque configuration permettent au final une optimisation techno-économique du procédé, sur la base d’un modèle économique intégré aux conditions de simulation
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Dates and versions

tel-01935185 , version 1 (26-11-2018)

Identifiers

  • HAL Id : tel-01935185 , version 1

Cite

Alvaro Andres Ramirez Santos. Application of membrane gas separation processes to CO2 and H2 recovery from steelmaking gases for carbon capture and use. Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine, 2017. English. ⟨NNT : 2017LORR0272⟩. ⟨tel-01935185⟩
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