Combustion en boucle chimique : Etude des performances d'un transporteur d'oxygène et estimation de la contribution du liant

Chemical Looping combustion : Study of an oxygen carrier performances and estimation of the binder's contribution

• Auteur / Autrice : Lucia Blas Montesinos
• Direction : Patrick Dutournié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 23/09/2014
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Gestion des Risques et Environnement / GRE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Liants

Réacteurs à lit fixe

Combustion en boucle chimique

Mots clés libres

Transporteur d'oxygène

Lit fixe traversé

Réactivité du liant

Migration Ni

Caractérisation du solide

Simulation

Oxygen carrier

Fixed bed reactor

Binder reactivity

Ni Migration

Characterization of the solid

Simulation

Résumé

La réduction des émissions anthropiques de CO2 constitue actuellement un enjeu majeur. Parmi les technologies destinées à la production d'énergie, le Chemical Looping Combustion (CLC) présente un potentiel intéressant avec un faible coût de capture de CO2. Le CLC consiste à produire de l'énergie à partir de combustibles fossiles, en présence d’un transporteur d’oxygène solide qui fournit l’oxygène nécessaire à la combustion. Le matériau est ensuite régénéré sous air dans un deuxième réacteur. En sortie du réacteur de combustion, seuls les gaz CO2 et H2O sont émis et ainsi, après la condensation de l’eau, du CO2 quasiment pur est obtenu. La viabilité du procédé CLC à échelle industrielle dépend des performances et de la durée de vie des transporteurs d’oxygène utilisés. Au cours de cette thèse, les performances et le vieillissement d’un transporteur d'oxygène modèle (NiO/NiAl2O4), vis-à-vis de l’oxydation de CO ont été étudiées. Pour cela, des cycles d'oxydation-réduction dans un réacteur à lit fixe traversé ont été réalisés. Au cours de l’étude de l'influence des conditions de fonctionnement sur les performances du transporteur, il a été observé que la réactivité du transporteur augmente avec la température. De plus, le liant (NiAl2O4) participe également à la réaction d’oxydation du CO. Une évolution de la structure cristalline du liant au cours des cycles à haute température, a été mise en évidence à l’aide des techniques de caractérisation du solide (DRX, MEB-EDX, TPR,...). En parallèle à ces travaux, un outil numérique de simulation du lit fixe traversé a été développé afin de modéliser la réaction de réduction du transporteur d'oxygène avec le combustible CO.

Nowadays, the reduction of anthropogenic greenhouse gas emissions (especially CO2) constitutes an important challenge. Among the different technologies currently studied for the CO2 capture during energy production, the Chemical Looping Combustion (CLC) shows an interesting potential with a low cost of capture. CLC consists of producing energy from fossil fuels or biomass combustion, in the presence of an oxygen carrier (generally a metal oxide) which provides the required oxygen for combustion. The material is then reoxidized with air in a different reactor. At the combustion reactor outlet only H2O and CO2 gases are emitted, therefore after condensation almost pure CO2 can be obtained. The success of a large scale CLC application depends on finding suitable oxygen carriers with good performances and long lifetime. The objective of this work is to study the performances and the ageing of a model oxygen carrier (NiO/NiAl2O4) with CO as fuel. For this, oxidation/reduction cycles have been carried out in a fixed bed reactor. The influence of the operating conditions on its performances is also investigated. From these studies, it is observed that the reactivity of the oxygen carrier increases with temperature. Moreover, the binder used in the oxygen carrier (NiAl2O4) reacts also with the fuel CO to produce CO2. An evolution on the support’s structure during cycles at high temperature is demonstrated using solid characterization techniques (DRX, MEB-EDX and TPR). After these experimental studies, a numerical model has been developed to simulate the reduction reaction of the oxygen carrier with CO in a fixed bed reactor.