Optimisation d'un procédé catalytique pour la purification du CO2 issu de l'oxycombustion

Optimisation of a catalytic process for the CO2 purification derived from an oxyfuel combustion in the cement industry

• Auteur / Autrice : Madan Behera
• Direction : Stéphane Siffert, Guy De Weireld
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, spécialité chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 20/03/2023
• Etablissement(s) : Littoral en cotutelle avec Université de Mons
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de chimie environnementale et interactions sur le vivant - Unité de Chimie Environnementale et Interactions sur le Vivant / UCEIV
• Partenaire(s) de recherche : Financeur : Hauts-de-France. Conseil régional
• Jury : Président / Présidente : Diane Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Siffert, Guy De Weireld, Valérie Tschamber, Sabine Valange, Thierry Visart de Bocarmé, André Decroly, Sébastien Royer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Tschamber, Sabine Valange

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Pollution atmosphérique -- Lutte contre

Dioxyde de carbone atmosphérique

Mots clés libres

Oxycombustion

Purification du CO2

Catalyse hétégogène

DeNOx

Cinétique de réaction

CO2 purification

Oxycombustion

Heterogeneous catalysis

DeNOx

Reaction kinetics

Résumé

L’élimination des NOx des gaz de combustion industrielle (étape de purification du CO2), avant l’étape de capture, d’utilisation et de stockage du carbone, est importante en particulier pour éviter la corrosion et la dégradation des amines en aval. Dans cette thèse, la réduction catalytique de NO en N2 non toxique, en utilisant le CO comme réducteur qui est un composant gazeux coexistant dans le flux de gaz de combustion industrielle, a été proposée pour l’étape d’élimination des NOx. L’objectif principal de cette étude était de développer des matériaux à base de cuivre-cobalt comme catalyseur stable et économique pour la réduction du NO par le CO. Cette étude décrit le développement d’un matériau catalytique à partir d’oxydes mixtes Cu6Al2 dérivés de leurs hydroxydes doubles lamellaires par traitement thermique sous différentes atmosphères gazeuses, puisl’étude de l’effet de la teneur en Co dans les oxydes mixtes sur la performance catalytique, suivie de l’influence de la température de traitement sur la performance catalytique. Ces recherches ont conclu que le matériau d’oxyde mixte Co4Cu2Al traité sous le flux de CO2 à une température de 400°C est le meilleur catalyseur pour la réduction de NO par la réaction de CO dans les conditions d’émissions industrielles. De plus, la stabilité du catalyseur a été confirmée par 6 cycles d’expériences. En outre, la performance catalytique de l’échantillon de Co4Cu2Al a été comparée à celle du Pt commercial supporté sur CeO2 et Al2O3 et il a été constaté que le premier montre une activité catalytique supérieure à celle du second. En outre, un modèle cinétique a été développé pour le système réactionnel en utilisant la cinétique de Langmuir Hinshelwood Hougen Watsonet différents solveurs d’optimisation globale pour la régression des paramètres. Enfin, le meilleur catalyseur a été synthétisé et mis en forme d’extrudés à grande échelle pour être utilisé dans une installation semi-pilote. Enfin, cette étude explore également l’activité des pérovskites LayCo1-xCuxO3 (y = 0,85 ou 1 ; x = 0, 0,1, 0,2 et 0,25) pour la réduction du NO par la réaction du CO dans des conditions d’émissions industrielles. Ces pérovskites se sont avérées actives mais nécessitent une optimisation supplémentaire de la composition des matériaux pour une activité catalytique supérieure et des caractérisations supplémentaires pour une compréhension approfondie du mécanisme de réaction sous-jacent.

Removal of NOx from the industrial flue gas (CO2-purification stage) prior to Carbon Capture Utilisation and Storage is important in order to avoid especially downstream corrosion and amine degradation. In this thesis, catalytic reduction of NO to non-toxic N2 using CO, a co-existing gas component in the industrial flue gas stream, as a reductant has been proposed for NOx removal step. The main objective of this study was to develop copper-cobalt-based materials as economically feasible and stable catalysts for the NO reduction by CO. This study outlines the development of catalytic material from Cu6Al2 mixed oxidesderived from their Layered Double Hydroxides parent via thermal treatment under different gas atmospheres and then, studying the effect of Co content in the mixed oxides on the catalytic performance followed by the influence of treatment temperature on the catalytic performance. These investigations concluded that Co4Cu2Al mixed oxide material treated under the flow of CO2at a temperature of 400°C is the best catalyst for the NO reduction by CO reaction under the industrial flue gas condition. Moreover, the catalyst stability was confirmed by 6 cycles of light-off experiments. Furthermore, the catalytic performance of Co4Cu2Al sample was compared with commercial Pt supported on CeO2 and Al2O3 and was found that the former shows superior catalytic activity than the latter. In addition, a kinetic model was developed for the reaction system using Langmuir Hinshelwood Hougen Watson kinetics and different global optimization solvers for parameter regression. Finally, the bestcatalyst has been synthesized and shaped as extrudes on a large scale to be used in a semi-pilot plant setup. Finally, this study also explored the activity of LayCo1-xCuxO3 (y = 0.85 or 1; x = 0, 0.1, 0.2 and 0.25) perovskites for the NO reduction by CO reaction under industrial flue gas condition and were found to be active but require further optimization in the material composition for superior catalytic activity and additional material characterization for in-depth understanding for the underlying reaction mechanism.