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1 - LA TECHNOLOGIE « CHEMICAL LOOPING »

  • 1.1 - Historique – contexte socio-économique
  • 1.2 - Définition

2 - RÔLE DU PORTEUR D’OXYGÈNE DANS DIFFÉRENTS PROCÉDÉS

3 - CARACTÉRISTIQUES REQUISES DES PORTEURS D’OXYGÈNE

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : AF6937 v1

Rôle du porteur d’oxygène dans différents procédés
« Chemical Looping » - Des procédés de combustion de composés carbonés

Auteur(s) : Ludivine FRANCK-LACAZE

Date de publication : 10 juil. 2017

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RÉSUMÉ

Les procédés « Chemical Looping » sont actuellement envisagés pour faciliter la capture du CO2 dans des industries mettant en œuvre la combustion de composés carbonés. Le comburant utilisé est un matériau nommé « porteur d’oxygène » qui circule de la chambre de combustion vers un réacteur où il est régénéré. Ce matériau peut servir pour plusieurs combustions jusqu’à sa dégradation. Après avoir défini la technologie «Chemical Looping» ainsi que le contexte dans lequel elle s’est développée, cet article décrit le principe général de différents procédés développés autour de ce concept commun en mettant en avant le rôle du matériau porteur d’oxygène dans chaque cas. Les caractéristiques généralement requises pour choisir un matériau porteur d’oxygène sont également présentées.

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ABSTRACT

"Chemical Looping". Combustion Processes of Carbon Compounds

Chemical looping combustion (CLC)” is currently being considered to facilitate the capture of CO2 in industries burning carbonaceous compounds. The combustive agent used is a material called an “oxygen carrier”, which circulates between a combustion chamber and a reactor, where it is regenerated. The material can be used for several combustions until it degrades. After defining CLC technology and the context in which it developed, this article describes the general principle of different processes developed around this common concept, highlighting the role of the oxygen-carrying material in each case. The characteristics generally required for selecting an oxygen carrier material are also presented.

Auteur(s)

  • Ludivine FRANCK-LACAZE : Maitre de Conférences à l’université de Lorraine - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - UMR 7274 CNRS – Université de Lorraine, Nancy, France

INTRODUCTION

Un enjeu majeur pour l’environnement est de lutter contre le réchauffement climatique dû aux émissions croissantes de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et notamment celle du dioxyde de carbone. Lors des conférences mondiales sur l’environnement, les pays industrialisés se sont engagés à contrôler leurs rejets de dioxyde de carbone suite au protocole de Kyoto signé en 1997 et ratifié en 2005. Dès lors, des efforts considérables ont été faits pour tenter de remplacer les énergies carbonées en énergies renouvelables. Cependant notre dépendance aux énergies fossiles est d’une importance telle, notamment dans les secteurs de l’énergie, de l’industrie, du transport et du résidentiel, qu’il semble impossible de s’en affranchir dans un futur proche.

Face à l’urgence environnementale, des technologies de capture et stockage du CO2 ont été intensivement développées ces dernières années pour équiper les usines fortement émettrices de dioxyde de carbone telles que les centrales électriques, les installations sidérurgiques, les cimenteries, les raffineries de pétrole, etc. Le but étant de capturer le CO2 produit, le transporter et le stocker hors atmosphère dans des aquifères salins profonds, des veines de charbons inexploitées ou autres. À noter qu’une proportion de CO2 peut être exportée dans des usines qui en consomment, pour la production d’urée par exemple, mais cela reste une part dérisoire comparée à la quantité totale de CO2 émise.

Ainsi, des technologies permettant de faciliter la capture des émissions massives de CO2 en provenance des industries sont actuellement développées. Elles sont répertoriées en trois grandes catégories, nommées procédés de capture du CO2 :

  1. En postcombustion durant lequel le CO2 est séparé des autres gaz contenus dans les produits de combustion (fumées) ;

  2. En oxycombustion utilisant de l’oxygène pur pour produire des fumées composées uniquement de CO2 et de vapeur d’eau, séparés facilement par condensation ;

  3. En précombustion consistant à extraire le CO2 avant la combustion ; pour cela le combustible est transformé en un mélange H2 et CO2 à partir duquel le dioxyde de carbone est isolé permettant à l’hydrogène de réaliser une combustion « décarbonée ».

Les procédés « Chemical Looping » dont il est question dans cet article permettent la capture du CO2 en oxycombustion. La combustion réalisée peut être complète ou incomplète, associée à une unité de vaporeformage ou à une réaction de dissociation de l’eau ; une étape de gazéification peut également être intégrée dans le cas de traitement de combustibles solides. Un ensemble de procédés se sont développés autour de cette technologie dont le fonctionnement diffère quelque peu selon l’application visée.

La technologie « Chemical Looping », que l’on peut traduire par boucle chimique, permet de faciliter la capture du CO2 lors de la conversion de combustibles carbonés en produits valorisables tels que l’électricité, le dihydrogène, etc. La particularité du concept « boucle chimique » repose sur l’utilisation d’un matériau porteur d’oxygène, généralement un oxyde métallique, qui joue le rôle de comburant. Ce matériau présente l’avantage de pouvoir être régénéré au sein même du procédé. Pour cela, il circule en boucle du réacteur où se produit la combustion vers un réacteur où il est réoxydé, et réalise autant de cycles que possible jusqu’à sa fin de vie. Pour garantir un procédé rentable, le matériau porteur d’oxygène doit remplir un cahier des charges bien précis selon le type de combustible à convertir et les produits de combustion désirés.

Cet article relate le développement de la technologie « Chemical looping » au fil des ans en fonction des contraintes socio-économiques et en donne une définition générale. Puis un ensemble de procédés développés autour de ce concept commun sont présentés en précisant le rôle du porteur d’oxygène dans chacun d’eux. Enfin sont décrites les caractéristiques généralement requises pour choisir un matériau porteur d’oxygène adéquat au procédé envisagé.

Les procédés relatifs à la technologie « Chemical Looping » sont cités d’après leur nomenclature internationale dans cet article.

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KEYWORDS

combustion   |   CO2 capture   |   carbon compounds   |   oxygen carrier materials

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6937


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2. Rôle du porteur d’oxygène dans différents procédés

2.1 Chemical Looping Combustion (CLC)

Dans ce procédé, schématisé figure 1, la combustion du combustible carboné s’effectue grâce à l’oxygène fourni par un matériau porteur d’oxygène, généralement un oxyde métallique (noté MeOα). On obtient ainsi, à la sortie du premier réacteur (réacteur de combustion), d’une part des fumées composées majoritairement de dioxyde de carbone et de vapeur d’eau et, d’autre part, le porteur d’oxygène à l’état réduit (noté MeOα–1). Le dioxyde de carbone peut facilement être séparé de la vapeur d’eau par condensation pour être capturé. Tandis que le porteur d’oxygène à l’état réduit est régénéré dans un second réacteur (réacteur de régénération) par ré-oxydation avec l’oxygène de l’air. Lorsque le porteur d’oxygène est totalement oxydé, il est réintroduit dans le réacteur de combustion pour faire un nouveau cycle. L’effluent gazeux issu de la phase de régénération est simplement constitué d’air légèrement appauvri en oxygène.

Les réactions chimiques les plus pertinentes se produisant dans ce procédé peuvent être décrites de la façon suivante :

  1. Dans le réacteur de régénération alimenté en air, le porteur d’oxygène est oxydé au contact de l’oxygène libre selon :

    ( 1 )
  2. Dans le réacteur de combustion, le porteur d’oxygène est réduit et le combustible (noté C x Hy) est oxydé. Une combinaison de plusieurs réactions se produit alors :

    • l’oxydation partielle du combustible par le porteur d’oxygène selon :

      ( 2 )
    • l’oxydation...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FAN (L.S.), ZENG (L.), LUO (S.) -   Chemical-Looping Technology Platform.  -  AIChE Journal, 61(1), p. 2-22 (2015).

  • (2) - LEWIS (W.K.), GILLILAND (E.R.), SWEENEY (W.P.) -   Gasification of carbon metal oxides in a fluidized power bed.  -  Chemical Engineering Progress Journal, 47, p. 251-256 (1951).

  • (3) - RICHTER (H.J.), KNOCHE (K.F.) -   Reversibility of combustion processes. In “Efficiency and Costing ; Second Law Analysis of Process”.  -  GAGGIOLI (RA.) Editor. ACS Symposium, Ser. 235, p. 71–86 (1983).

  • (4) - ISHIDA (M.), ZHENG (D.), AKEHATA (T.) -   Evaluation of a chemical-looping-combustion power-generation y graphic exergy analysis.  -  Energy, 12, p. 147-154 (1987).

  • (5) - ISHIDA (M.), JIN (H.) -   À new advanced power-generation system using chemical looping combustion.  -  Energy, 19, p. 415-422 (1994).

  • ...

ANNEXES

  1. 1 Brevets

    1 Brevets

    Production of Pure Carbon Dioxide US9281249A

    Procédé de combustion en boucle chimique de fractions hydrocarbonées liquides lourdes CA 2721839 A1

    Procédé de combustion en boucle chimique utilisant une masse oxydo-reductrice comprenant de la pyrolusite enrichie avec de l’oxyde de nickel WO 2014068205 A1

    Chemical looping combustion method with the removal of ash and fines leaving the oxidation zone, and facility using such a method CA 2850612 A1

    Integration of reforming/water splitting and electrochemical systems for power generation with integrated carbon capture US 20120171588 A1

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