Evaluation et suivi de solvants innovants pour le captage de CO2 présentant une faible pénalité énergétique (<10 %) : développement de stratégies analytiques permettant la compréhension des phénomènes physico-chimiques mis en jeu en vue de leur modélisation

Monitoring of advanced solvents for post combustion CO2 capture with low energy penalty (<10%) : development of analytical strategies enabling the comprehension of physicochemical phenomenon involved, with a view of doing their modelling

• Auteur / Autrice : Lorena Cuccia
• Direction : Jérôme Vial
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique et Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 26/03/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie, Biologie, Innovation (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Franck Launay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aicha El Khamlichi, Sabine Rode, Domitille Bontemps, Pierre-Louis Carrette
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Fernandez, Pierre Giampaoli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromatographie en phase gazeuse

Chromatographie en phase liquide

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Solvants

Mots clés libres

Captage du CO2

Solvants innovants

Produits de dégradation

Méthodes analytiques

Chromatographie

Analyse des fumées traitées

CO2 capture

Advanced solvents

Degradation products

Résumé

Le procédé de captage du CO2 en post-combustion par absorption chimique est aujourd'hui la technologie la plus mature en vue d'une réduction des émissions de CO2 issues de procédés industriels. Les deux principales limitations de la technologie sont la pénalité énergétique engendrée par le procédé, et la formation de produits de dégradation potentiellement toxiques pour l'Homme et l'environnement. Dans le cadre de ce projet de thèse, trois solvants innovants ont été présélectionnés pour leurs bonnes propriétés thermodynamiques de captage : les mélanges 1-méthylpipérazine / pipérazine (1MPZ /PZ), diméthylaminoéthanol / pipérazine (DMEA/PZ) et méthyldiéthanolamine/monoéthanolamine (MDEA/MEA). Ces trois solvants ont été étudiés en termes de stabilité chimique dans des conditions représentatives des conditions industrielles du captage de CO2 en post-combustion sur un dispositif expérimental construit par EDF R&D Chatou. Des méthodes analytiques complémentaires impliquant les chromatographies liquide et gazeuse ont été développées dans l'objectif de suivre les teneurs en amines constituantes du solvant au cours du temps, et d'identifier et quantifier les potentiels produits de dégradation formés aussi bien dans la phase liquide du solvant que dans les fumées traitées émises. Au vu des résultats obtenus au cours de ce projet, le solvant MDEA/MEA semble offrir le meilleur compromis en termes de stabilité chimique et de besoins énergétiques requis pour le procédé. Ce solvant présente des taux de dégradation inférieurs aux mélanges 1MPZ/PZ et DMEA/PZ, et permettrait une réduction de l'énergie au rebouilleur de l'ordre de 10 % par rapport à la MEA 30 %, solvant modèle au procédé.

Post-combustion CO2 capture using amine solvents is nowadays the most promising technology to limit the CO2 emissions from already existing power plants. The two main limitations of the process are the high energy penalty and the irreversible degradation of amines involving the formation of degradation products potentially toxic for human and the environment. Within the scope of this project, three innovative solvents were selected for their good thermodynamic properties for CO2 capture: the blends 1-methylpiperazine / piperazine (1MPZ/PZ), dimethylaminoethanol / piperazine (DMEA/PZ) and methyldiethanolamine/monoethanolamine (MDEA/MEA). The three blends were degraded in conditions representative of industrial conditions for post-combustion CO2 capture on a lab scale pilot plant constructed by EDF R&D. Complementary analytical methods involving gas and liquid chromatography were developed in order to monitor the stability of the constituent amines, and to identify and quantify potential degradation products formed. These methods permitted the characterization of both the liquid phase of the solvent and the gaseous phase corresponding to the treated flue gas. Results obtained during this project showed that the blend MDEA/MEA would offer the best compromise in terms of chemical stability and energy needed for the process. This solvent presents degradation rates lower than the blends 1MPZ/PZ and DMEA/PZ and would enable a reduction of the reboiler heat duty in the range of 10% when compared to MEA 30% the benchmark solvent of the process.