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État de l’art sur le captage du dioxyde de carbone
Les technologies du captage du dioxyde de carbone
Plusieurs types de combustion existent afin de récupérer l’énergie provenant des sources fossiles : l’oxycombustion, la précombustion et la postcombustion. Selon le type de fumées à traiter, différentes technologies de captage du dioxyde de carbone sont préconisées. Elle illustre les modes de combustion, la récupération d’énergie et le traitement des effluents gazeux.
L’oxycombustion s’articule autour d’une unité de purification de l’air permettant d’obtenir un flux de dioxygène pur. Ce dernier réagit avec le combustible pour produire un flux gazeux essentiellement composé de dioxyde de carbone. Après avoir traité le flux gazeux pour en enlever la poussière ainsi que les oxydes d’azote et de soufre, un procédé de séparation est mis en place pour obtenir un flux de dioxyde de carbone ayant une grande pureté. L’une des caractéristiques des fumées provenant de l’oxycombustion est notamment une forte pression partielle en dioxyde de carbone. La technologie la plus adaptée pour ce type de fumées est la cryogénie, car elle permet de purifier le flux de dioxyde de carbone des impuretés.
En précombustion, un combustible primaire réagit avec de l’air ou de l’oxygène pour produire de l’hydrogène, du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone, qui peuvent être traités afin d’obtenir un flux gazeux composé d’hydrogène et du dioxyde de carbone (15 à 60% en volume). Le dioxyde de carbone est ensuite séparé et l’hydrogène est utilisé comme source énergétique, avec l’eau comme sous-produit de combustion. Les technologies par absorption physique ou membranaire sont les plus adaptées pour ce type de fumée.
Les procédés de captage du dioxyde de carbone en postcombustion permettent de traiter les fumées de combustion entre un combustible et l’air. Le procédé de séparation de dioxyde de carbone peut être placé après les unités de traitement des fumées pour enlever la poussière, les oxydes de soufre et d’azote. Ce type de fumées a une teneur en dioxyde de carbone plus faible que les deux précédentes (oxycombustion et précombustion).
Dans le cas du procédé du captage en postcombustion, différentes technologies existent et permettent la séparation du dioxyde de carbone des autres composants (N2/O2/etc.) dans le flux de fumées à traiter.
L’adsorption est un phénomène d’interaction entre l’adsorbat et l’adsorbant. Ils peuvent notamment être liés par des interactions de type Van der Waals. Dans le cas du traitement du dioxyde de carbone, nous pouvons utiliser une zéolithe afin d’adsorber spécifiquement le dioxyde de carbone. La phase de régénération de l’adsorbant permet de libérer le dioxyde de carbone capté (Ebner et Ritter 2009). Cette technologie est plus destinée à traiter les traces de dioxyde de carbone dans le flux gazeux (ex : flux d’éthylène pour la production de polyéthylène). La présence de vapeur d’eau pénalise ce procédé à cause de la très grande affinité de la plupart des zéolithes pour l’eau.
L’absorption est le transfert d’un gaz dans un liquide. Elle peut être de deux types. La première, l’absorption physique est la dissolution du gaz dans le liquide et elle dépend de la pression du gaz et de sa solubilité dans le solvant et de la pression partielle du gaz au contact du liquide. La deuxième est l’absorption chimique. En plus de la dissolution du gaz dans le liquide, le gaz dissous réagit avec le solvant. La réaction avec le solvant accélère la vitesse d’absorption de ce dernier (Roizard et al. 1997). Cette technologie est recommandée pour les fumées en postcombustion, car elle permet de traiter d’importants volumes de gaz sur une large gamme de pressions partielles en dioxyde de carbone.
Le procédé de cryogénie consiste à faire passer la molécule de l’état gazeux à l’état liquide ou solide en abaissant la température. Cette technologie est adaptée pour des fumées ayant une forte concentration de dioxyde de carbone et peu ou pas de vapeur d’eau (ex : purification du CO2) (Lecomte et al. 2009) .
La séparation membranaire permet de laisser passer le gaz désiré à travers une membrane sélective. Le taux de captage concernant cette technologie est meilleur lorsque la pression partielle en dioxyde de carbone est élevée dans la phase gazeuse. Il dépend du gradient de concentration de part et d’autre de la membrane (Kohl et Nielsen 1997).
Des algues peuvent être utilisées afin de capter le dioxyde de carbone. Les algues se développent en utilisant le dioxyde de carbone présent dans la phase gazeuse. Par la suite, le solvant composé d’algues peut servir de biomasse. Cependant, le solvant aura une faible valeur énergétique, car ce dernier contient une grande quantité d’eau (Aresta et al. 2005).
Ce travail s’est plus particulièrement intéressé à la technologie de captage du dioxyde de carbone en postcombustion utilisant une boucle d’absorption/désorption par un solvant aminé en lien avec l’étude précédente à l’échelle pilote au laboratoire LSPC (Aouini 2012).
Captage du dioxyde de carbone par un procédé absorption/désorption
Prosper Antoine Payerne naît à Theys le 27 février 1806. Après de brillantes études de médecine, il s’installe rue Très-Cloîtres à Grenoble, puis rejoint Paris en 1840 et très vite s’intéresse au monde sous-marin. L’ingénieur américain Robert Fulton avait construit la première ébauche de sous-marin, mais son prototype ne pouvait être exploité, car il ne possédait aucun système pour régénérer l’atmosphère à l’intérieur du submersible. Prosper Antoine Payerne avait résolu ce problème en parvenant à épurer l’air contenu dans des « cloches à plongeurs » qu’il venait de mettre au point. Entre octobre 1841 et mai 1842, Payerne et l’ingénieur et général Paisley mettent au point pour la East & West Indian Compagny un appareil actionné par une manivelle permettant d’absorber le gaz carbonique grâce à de la chaux et de régénérer l’air en oxygène par l’utilisation du superoxyde de potasse ou de manganèse. Les essais réalisés à l’institution polytechnique de Londres concluent à une autonomie de respiration de trois heures, puis de sept heures. En 1844, il consacre une partie de sa fortune personnelle à financer la mise en chantier du premier véritable sous-marin jamais construit dans le monde.
Les premiers procédés (Absorption/Désorption) à base de solvants aminés ont été mentionnés par Bottoms (1930) dans le brevet N° US1783901. L’objectif dans ces études était de réduire les émissions de dioxyde de carbone des fumées de combustion sur des centrales électriques à charbon ou sur du traitement de gaz naturel pour l’élimination du sulfure d’hydrogène et du dioxyde de carbone.
Dégradation de la performance du procédé
La dégradation de la performance du procédé de captage du CO2 en postcombustion est liée à plusieurs causes qui sont la dégradation des équipements (corrosion), l’apparition de moussage dans la colonne d’absorption) et la perte de solvant.
Le solvant utilisé (MEA) et ses produits de dégradation sont corrosifs (Rooney et al. 1997). Une étude récente sur la corrosion dans le procédé en postcombustion montre que le solvant n’est pas la cause principale de la corrosion. Ce phénomène est plus accentué à la sortie du procédé (en tête de colonne d’absorption et de désorption) (Kittel et al. 2009). Cela est dû notamment à la présence d’eau dans le flux de gaz acide. L’une des conséquences de la corrosion est la destruction des équipements provoquant ainsi des fuites sur le procédé. La corrosion des équipements entraine la présence d’ions métalliques qui ont un rôle de catalyseur dans le mécanisme d’oxydation du solvant (Bedell 2010). Des additifs tels que les sels de vanadium (Veawab et al. 2001) ou de cuivre (Goff et Rochelle 2006) peuvent être ajoutés au solvant afin de réduire la vitesse de corrosion.
Le phénomène de moussage cause est très fréquent sur les procédés d’absorption/désorption utilisant un solvant aminé (Kohl et Nielsen 1997). Les conséquences principales sont une fluctuation du niveau de liquide et une mauvaise régénération du solvant provoquant une surconsommation énergétique. La cause de ce phénomène est due à la variation des propriétés physico chimiques du solvant (tension de surface, masse volumique et viscosité). Les facteurs de cette variation sont notamment la température, la concentration en MEA, le taux de charge du solvant et la présence de produits de dégradation et de particules fines.
Enfin, la dernière cause est la perte de solvant. La conséquence directe est une diminution de la vitesse d’absorption. La principale cause de la perte du solvant est l’implication de la MEA dans des mécanismes réactionnels irréversibles. La perte de solvant a des conséquences sur les coûts de fonctionnement du procédé. La perte de MEA est estimée à 0,5-3 kg de MEA/tonne de CO2 traitée (Rao et Rubin 2002). Le renouvellement du solvant a un coût, le prix de la MEA varie de 1500 à 2000$/t (Dave et al. 2011; ICIS Pricing 2012).
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1. État de l’art sur le captage du dioxyde de carbone
I. Les technologies du captage du dioxyde de carbone
II. Captage du dioxyde de carbone par un procédé absorption/désorption
1. Principe
2. Contacteur gaz-liquide
3. Solvant de captage
4. Absorption/Désorption du dioxyde de carbone par la MEA
5. Procédés en postcombustion existants ou en cours de démonstration
III. Cas d’étude : Usine d’incinération de déchets dangereux
IV. Dégradation de la performance du procédé
V. Conclusion
Chapitre 2. Réactivité chimique du solvant dans le procédé de captage aux amines
I. Pertes de la MEA dans le procédé
1. Perte par évaporation
2. Perte par polycondensation ou condensation
3. Perte par oxydation
4. Perte par réaction acido-basique
5. Conclusion
II. Mesure de la concentration en oxygène dissous
1. Dispositif expérimental
2. Résultats et discussion
3. Conclusion
III. Étude expérimentale de la dégradation de la MEA
1. Objectifs
2. Dispositif expérimental
3. Méthodes analytiques
4. Résultats et discussion
IV. Conclusion
Chapitre 3. Étude de l’impact des polluants sur la cinétique d’absorption du dioxyde de carbone dans la solution de MEA
I. Introduction
II. Dispositif expérimental
1. Méthodes expérimentales existant dans la littérature
2. Mise en place d’un dispositif expérimental : réacteur agité (Cellule de Lewis)
3. Protocole expérimental
III. Approche théorique
1. Absorption physique
2. Absorption chimique
3. Conclusion
IV. Caractérisation hydrodynamique
1. Modélisation du transfert de matière dans le cas de l’absorption physique
2. Programme de calcul
3. Résultat
V. Représentation graphique et répétabilité des expériences
VI. Validation du dispositif expérimental : étude du système NaOH/H2O/CO2
1. Traitement graphique
2. Modélisation du transfert de matière
VII. Étude du système CO2/MEA/H2O avec et sans impuretés
1. Étude de l’effet de la concentration et de la température
2. Système CO2/MEA/H2O/impuretés
3. Système CO2/MEA/H2O : modèle de transfert et du système chimique
4. Détermination des paramètres inconnus sur le système CO2/MEA/H2O
VIII. Conclusion
Conclusion générale
