Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les procédés « Chemical Looping » facilitent la capture du CO2 suite à une combustion de composés carbonés grâce à l’utilisation d’un comburant non usuel: un matériau porteur d’oxygène. La rentabilité des procédés est gouvernée par la viabilité de ce comburant. Cet article décrit d’abord des critères qu’il faut considérer pour choisir un porteur d’oxygène et les caractéristiques liées au matériau (composition, morphologie, structure). Ensuite sont présentées différentes méthodes d’élaboration de porteurs d’oxygène et les caractéristiques des matériaux obtenus dans chaque cas. Enfin sont répertoriés de nombreux matériaux testés comme porteur d’oxygène en décrivant leurs atouts et leurs limites pour une utilisation dans ces procédés.
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Chemical looping combustion (CLC) facilitates CO2 capture following the combustion of carbon compounds through the use of an unusual combustive agent: an oxygen-carrier material. The profitability of these processes is governed by the viability of this combustive agent. First, this article describes criteria that must be met in choosing an oxygen carrier, and characteristics related to the material (composition, morphology, structure). Various methods preparing oxygen carriers and the characteristics of the materials obtained in each case are then presented. Finally, numerous materials tested as oxygen carriers are listed, with their advantages and limitations for use in CLC.
Auteur(s)
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Ludivine FRANCK-LACAZE : Maitre de Conférences à l’université de Lorraine - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés - UMR 7274 CNRS – Université de Lorraine, Nancy, France
INTRODUCTION
La particularité des procédés « Chemical Looping » est de réaliser une combustion de composés carbonés en facilitant la capture du CO2 émis grâce à un matériau comburant communément appelé porteur d’oxygène.
Le porteur d’oxygène est généralement constitué d’un oxyde métallique renforcé par un matériau support. Il est mis sous forme de poudre pour circuler en boucle entre un réacteur de combustion – dans lequel il est réduit en brûlant le combustible – vers un réacteur de régénération où il est oxydé afin de réaliser une nouvelle combustion. Un enjeu économique majeur consiste à réaliser de nombreux cycles redox avec le même matériau. Cependant le solide porteur d’oxygène se dégrade rapidement. De nombreux travaux de recherche ont été menés ces dernières décennies pour tenter d’élaborer des matériaux porteurs d’oxygène durables. Plus de mille matériaux ont étés testés. Il n’est pas aisé d’obtenir des matériaux résistants à la fois en termes de tenue mécanique et de réactivité ; c’est encore aujourd’hui un des principaux défis à relever en vue d’une commercialisation des procédés « Chemical Looping ».
Cet article est la suite de l’article « Chemical Looping » Des procédés de combustion de composés carbonés [AF6937] qui présente les aspects généraux des procédés « Chemical Looping ».
La première partie de cet article rappelle d’abord les critères généralement retenus pour choisir un porteur d’oxygène puis décrit la composition, la morphologie et la structure des matériaux porteurs d’oxygène ainsi que les dégradations qu’ils peuvent subir au cours des cycles d’oxydoréduction en donnant les moyens de les éviter ou de les minimiser.
Dans une deuxième partie, différentes méthodes utilisées pour élaborer et mettre en forme des particules de porteurs d’oxygène sont présentées, en précisant les caractéristiques des matériaux obtenus dans chaque cas.
Pour finir, la troisième partie de l’article propose un résumé de nombreux matériaux – naturels et synthétiques – testés en tant que porteurs d’oxygène en donnant leurs performances et leurs limites en procédés « Chemical Looping ».
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KEYWORDS
combustion | CO2 capture | carbon compounds | oxygen carrier materials
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Conclusion3. De nombreux matériaux porteurs d’oxygène testés
Il est difficile de trouver un matériau porteur d’oxygène qui soit performant sur des critères aussi variés que la réactivité vis-à-vis du combustible, l’intégrité chimique et mécanique, un coût raisonnable, etc. Par ailleurs, les minerais naturels à bas coût sont encore plus complexes car ils sont souvent inhomogènes et chimiquement impurs.
Cette section propose un résumé des nombreux matériaux étudiés, synthétiques et naturels, qui présentent des caractéristiques intéressantes pour jouer le rôle de porteur d’oxygène dans les procédés « Chemical Looping ».
3.1 Matériaux synthétiques
3.1.1 Matériaux constitués de nickel
Très tôt il a été mis en évidence que les matériaux constitués d’oxyde de nickel présentaient une très bonne réactivité vis-à-vis du méthane notamment à haute température (900-1100 °C). Par conséquent ces matériaux ont été les plus étudiés. Une conversion quasi complète de CH4 peut être obtenue notamment dans le procédé Chemical Looping Combustion. Cette forte réactivité est généralement expliquée par la réaction de vaporeformage du méthane, catalysée par le nickel métallique selon l’équation ci-dessous :
( 5 )
Ainsi, dans le réacteur de combustion le porteur d’oxygène joue à la fois le rôle de comburant sous sa forme oxydé (NiO) et de catalyseur sous sa forme réduite (Ni). Il faut cependant veiller à ne pas réduire tout l’oxyde de nickel pour éviter...
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De nombreux matériaux porteurs d’oxygène testés
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ADANEZ (J.), ABAD (A.), GARCIA-LABIANO (F.), GAYAN (P.), F. DE DIEGO (L.) - Progress in Chemical-Looping Combustion and Reforming technologies. - Progress in Energy and Combustion Science, 38, p. 215-282 (2012).
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(2) - GARCIA-LABIANO (F.), GAYAN (P.), ADANEZ (J.), DE DIEGO (L.F.), FORERO (C.R.) - Solid waste management of a chemical-looping combustion plant using Cu-based oxygen carriers. - Environ Sci Technol, 41, p. 5882-5887 (2007).
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(3) - TEED LITHERLAND (P.) - The Chemistry and Manufacture of Hydrogen. - Edit. EDWARD LONDON (1919).
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(4) - HURST (S.) - Production of Hydrogen by the Steam-Iron Method. - Journal of the American Oil Chemists’ Society, 16, p. 29-36 (1939).
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(5) - DE DIEGO (L.F.), GARCIA-LABIANO (F.), ADANEZ (J.), GAYAN (P.), ABAD (A.), CORBELLA (B.M.), al - Development of Cu-based oxygen carriers for chemical-looping combustion. - Fuel, 83, p. 1749-1757 (2004).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
« Chemical Sciences fondamentales Looping » I- Des procédés de combustion de composés carbonés.
-
Matériaux de la filière hydrogène. Production et conversion.
-
Catalyse hétérogène : désactivation et régénération des catalyseurs.
-
Mise en œuvre des poudres -Techniques de granulation humide et liants.
-
Mise en forme des poudres -Séchage par atomisation. Principes.
-
...
Le bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) donne accès sur internet à une base de données économiques mondiales sur les minerais et métaux.
http://www.mineralinfo.fr/page/be3m
FactSage est un logiciel qui permet de générer des diagrammes de phase grâce à un accès direct aux bases de données. Le lecteur pourra se référer si besoin à la publication de Bale et al. [Bale 2002] qui explique comment utiliser le programme de calcul des diagrammes de phase.
[Bale 2002] BALE (C.W.), CARTRAND (P.), DEGTEROV (S.A.), ERIKSSON (G.), HACK (K.), BEN MAHFOUD (R.), MELACON (J.), PELTON (A.D.) et PETERSEN (S.). – FactSage Thermochemical Software and Databases, 26, p. 189-228 (2002).
HAUT DE PAGE
Standard Test Method for Single Pellet Crush Strength of Formed Catalysts and Catalyst Carriers ASTM D4179, 2011.
Standard test method for determination of attrition of FFC catalysts by air jets ASTM D5757, 2011.
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