Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
La gazéification du charbon présente un intérêt non négligeable dans le contexte économique actuel, puisqu’elle permet de fournir une grande variété de produits : électricité, produits chimiques, substituant au gaz naturel, carburants pour le transport. La production électrique est devenue un marché porteur pour la gazéification, d’autant plus qu’elle joue en faveur d’une meilleure acceptabilité environnementale du charbon. La production d'intermédiaires chimiques, comme le méthanol, le diméthyléther, ammoniac, oléfines est également en plein essor aux USA et principalement en Chine. De même, et dans les mêmes pays, la production de carburants synthétiques, par l’intermédiaire de la liquéfaction indirecte du charbon, présente un regain d'intérêt certain. Par contre, la gazéification de charbon comme substitut au gaz naturel reste limitée à ce jour.
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Coal gasification is of significant interest in the current economic context as it allows for the supply of a great variety of products: electricity, chemical products, substitutes for natural gas and fuel for transportation. The electric production has become a developing market for gasification, all the more so as it leads to improving the environmental acceptability of coal. The production of chemical intermediates such as methanol, dimethylether, ammonia and olefins is booming in the USA and particularly in China. Likewise, in the same countries, the production of synthetic fuels through indirect coal liquefaction attracts renewed interest. Reversely, coal gasification as a substitute to natural gas remains limited to date.
Auteur(s)
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Nicolas BOUDET : Ingénieur procédés - Institut français du pétrole IFP
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Pierre MARION : Expert technico-économique - Institut français du pétrole IFP
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Magalie ROY-AUBERGER : Docteur Ingénieur, chargée de Veille - Institut français du pétrole IFP
INTRODUCTION
Le terme de gazéification couvre la conversion de toute matière carbonée en un produit gazeux ayant un pouvoir calorifique utilisable (essentiellement CO, H2 , CH4). La gazéification du charbon comprend une étape initiale de pyrolyse suivie d'une oxydation partielle produisant un gaz de synthèse (ou « syngas ») comprenant principalement du CO et de l'hydrogène en teneurs variables. L'oxydant peut être l'oxygène, l'air ou la vapeur d'eau. Cette technologie a connu un fort développement au cours des années 1945-1955, avant l'utilisation du gaz naturel, puis les développements ont fluctué en fonction des prix et des disponibilités du pétrole et du gaz (voir aperçu historique). La gazéification du charbon permet de fournir une grande variété de produits : électricité, produits chimiques, substituant au gaz naturel (SNG), carburants pour le transport, et présente un intérêt non négligeable dans le contexte économique actuel (figure 1).
La production électrique est devenue un marché porteur pour la gazéification qui est perçue comme un moyen d'augmenter l'acceptabilité environnementale du charbon. L'idée d'utiliser le gaz de synthèse dans les turbines n'est pas nouvelle. Dès 1950, les problèmes techniques tels que l'augmentation de la température dans les turbines ont été étudiés ; des prototypes ont été construits aux USA et en Europe, et depuis une dizaine d'années des unités commerciales sont en fonctionnement. Un intérêt majeur pour l'IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) est apparu en 2003 et s'est concrétisé par le rachat aux USA de la technologie Texaco par GE Energy et en Europe celui de Future Energy par Siemens.
La production d'intermédiaires chimiques de base CTC (Coal to Chemicals) est également une voie en plein essor (méthanol, diméthyléther DME, ammoniac, oléfines). Les développements se font aux USA et principalement en Chine.
La gazéification de charbon comme substitut au gaz naturel reste limitée (Unité de Dakota – Beula), mais de nombreux projets sont à l'étude vue l'augmentation du prix du gaz naturel.
Enfin la liquéfaction indirecte du charbon CTL (Coal To Liquids) pour la production de carburants synthétiques, via la gazéification du charbon puis la synthèse Fischer Tropsch présente un regain d'intérêt au-delà de l'Afrique du Sud, en Chine mais aussi aux États-Unis, même si le bilan économique (et environnemental) de cette filière est nettement moins favorable que celui du GTL (Gas to Liquid). Ce dernier point de la liquéfaction indirecte du charbon sera traité en détails dans un autre dossier.
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Défis technologiques1. Propriétés des charbons et principales réactions chimiques
1.1 Composition typique des charbons selon la source
La composition des charbons varie considérablement d'un type de charbon à l'autre, et a une influence sur les réactions de gazéification. Les analyses globales (proximate) donnent une indication sur le type et la qualité du charbon :
Le premier gaz de synthèse a été produit par pyrolyse du charbon à la fin du XVIII e siècle. La gazéification est devenue un procédé commercial en 1812 avec The London Gas, Light and Coke Company.
Les premières applications étaient alors l'éclairage suivi par le chauffage. La production d'électricité n'est intervenue que beaucoup plus récemment.
La gazéification du charbon a connu un fort développement au cours des années 1940-1955, avant l'utilisation du gaz naturel. Pendant cette période, elle a été largement développée principalement en République Fédérale d'Allemagne mais aussi en France, en Grande Bretagne et aux États-Unis. Ensuite, l'utilisation des gazéifieurs a été limitée par le développement de l'emploi du gaz naturel et du pétrole, moins coûteux. Les seuls pays ayant développé massivement la gazéification du charbon sont l'Allemagne pendant la seconde guerre mondiale et l'Afrique du Sud à partir de 1955 pour pallier à l'absence de ressources pétrolières liée à une situation d'embargo (filière de production de carburants de synthèse à partir du charbon).
Suite à la première crise pétrolière des années 1970, la gazéification du charbon est apparue à nouveau comme un procédé intéressant pour la production de carburants liquides et gazeux.
Des efforts considérables ont alors été faits pour le développement de nouvelles technologies. Après une pause durant les années 1980, on observe la renaissance des technologies de gazéification ces 10 à 15 dernières années.
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le taux de matières volatiles (indice MV) égal à la masse de matière volatile moins la perte en eau rapportée à la masse initiale déterminée par un essai normalisé où on chauffe le charbon pendant un temps et à une température déterminés (7 min à 950 oC – ASTM D3175) ;
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le taux d'hydratation (Moisture) est déterminé...
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BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
HIGMAN (C.) - VAN DER BURGT (M.) - Gasification. - Elsevier.
RUDOLF (P.) - Lurgi Coal Gasification (moving bed gasifier). - MEYERS (R.A.) (ed.), Handbook of Synfuels Technology, MacGraw-Hill, New York (1984).
SUPP (E.) - How to Produce Methanol from Coal. - Berlin Springer (1990).
* - Perry's Chemical Engineers'Handbook.
Gasification. - SFA Pacific, Inc.
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Gazeification Technology Council https://globalsyngas.org/
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ASTM D 3175 (2007), Standard Test Method for Volatile Matter in the Analysis Sample of Coal and Coke
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