intégrant le captage de co2 assisté par contacteurs amélie coenthalpie de réaction en solution...

Séminaire mi-parcours édition EESI 2009 « ACRONYME » AméliE_CO2

Amélioration de l’Efficacité énergétique des centrales thermiques

intégrant le captage de CO2 assisté par contacteurs

AméliE_CO2

Denis Roizard

Laboratoire Réactions et Génie des Procédés UPR CNRS 3349 – Université de Lorraine

[email protected]

• Présentation du projet et de son état d’avancement

1


2

Coordinateur : LRGP (CNRS 3349) Nancy

• Organismes de recherche :

– LRGP Université de Nancy – D.Roizard

– Laboratoire de Génie Chimique UPS, Toulouse – J.C. Remigy

– ARMINES-CEP ParisTech – C. Bouallou

• Entreprises :

– Polymen Toulouse – O. Lorain

– EDF R&D Chatou – M.Kanniche

Pas de labellisation demandée

Date de démarrage : 01/12/2009 Date de fin prévue: 31/12/2012

Budget (M€) Aide (M€) Nombre de personnes.ans

1,468 285 0,838 237 15,33

NANCY


NANCY

• Objectifs du projet :

• Défis scientifiques et techniques :

• Résultats majeurs escomptés :

3

Production

d'électricité

optimisée

Centrale

thermique

Intégration

du Captage

CO2 en post-

combustion

Potentiel des

Contacteurs

membranaires:

- absorption

- régénération

Solutions de

carbonates

d'ammonium :

- confinement

- Km

Sélectivité

membranaire

CO2 vs NH3

– Matériaux : Identification et Réalisation de modules

– Faciliter la mise en œuvre de solutions ammoniacales

– Intégration et simulation d’un système complexe

– Validation du concept : limitation de la perte d’NH3 et Captage CO2 efficace

– Intérêt en Absorption, en Désorption, en Epuration

– Limiter la demande énergétique

– Intensification

– Meilleure efficacité énergétique d’une Centrale Thermique


• Programme de travail : 4 TACHES

T1 : Caractérisation du système NH3/sels d’ammonium/CO2

Responsable : Partenaire 2 (LRGP-Nancy)

Cette tâche est terminée

T2 : Sélection de matériaux et de contacteurs membranaires (CM) dotés de perméation sélective pour CO2 ou pour NH3

Responsable : Partenaire 2 (LGC-Toulouse)

tâche complétée à 65%

T3 : Etude de l’implémentation de modules membranaires pour le système NH3/ABC/AC//CO2

Responsable : Partenaire 3 (CEP Armines-Paris)

tâche commencée à ≈ 5%

T4 : lntégration dans un dispositif de production d’électricité et optimisation de l’efficacité énergétique globale

Responsable : Partenaire 4 (EDF R&D Chatou)

tâche en démarrage

4

NANCY


• Programme de travail : 8 Jalons

5

NANCY prévue livré

Détermination des lois cinétiques d’absorption de CO2 par une solution aqueuse de NH3

Jalon 1 M12 01/11 P3

Identification des matériaux sélectifs à CO2 et barrières pour NH3 pour la faisabilité de FC

Jalon 2 M15 10/11 P2

Préparation des 1ers modules prototypes d’absorption/ de régénération

Jalon 3 M28 P4

Qualifier la faisabilité et les plages d’intérêt applicatif pour le concept NH3-contacteur membranaire

Jalon 4 M21 P1

Détermination de l’efficacité du captage en continu avec régénération

Jalon 5 M30 P3

Aménagement des servitudes fournies par la centrale à l’unité de captage en vue de minimiser la pénalité énergétique de la centrale.

Jalon 6 M28 P5

Potentiels comparés du captage de CO2 par des solutions de carbonate d’ammonium refroidies sans et avec contacteurs membranaires

Jalon 7 M32 P5

Variantes d’intégration du procédé en vue de minimiser la consommation énergétique du procédé de captage

Jalon 8 M35 P5


6

Tâche 1 …………Tâche 2

Tâche 3

Tâche 4

T=0 M12 M24 M36 temps (mois)

Axe des connaissances

Axe technologique

Axe d’innovation

NH3 / Amines

Contacteur Mb Flexibilité, modularité des CM

Intensification

• Stratégie du projet

– Baisser le coût du Captage et Intégrer le Captage dans les futures CT


7

Pas de contact direct entre phases

Aire interfaciale constante

Intensification (10 000m2/m3)


– Principe de fonctionnement d’un contacteur à fibres creuses

Entrée Liquide

Sorti

e

Gaz

Entrée

Gaz

Sortie Liquide Gaz:

CO2+N2

NH3 aqueux

Confinement de l’ammoniac en phase

liquide : membrane = barrière physique

Élargir les plages opératoires (P, T°, [])


8

Particularités du système NH3 + CO2

Mécanisme simplifié :

Mécanisme complet :

NH3(l) + CO2(g) + H2O(l) ↔ NH4HCO3(aq) Bicarbonate ABC

2 NH3(l) + CO2(g) + H2O(l) ↔ (NH4)2CO3 (s) Carbonate AC

2 NH3(l) + CO2(g) ↔ NH2COONH4(s) Carbamate

NH2COONH4(s) + H2O(l) ↔ NH4HCO3(s) + NH3(g) ABC

NH4HCO3(aq) + NH4OH(l) ↔ (NH4)2CO3(s) + H2O(l) BC

(NH4)2CO3(s) + H2O(l) + CO2(g) ↔ 2 NH4HCO3(l) ABC



9

Diagrammes ELV H2O/NH3 et H2O/MEA


NH3: 10ppm


• Partenariat

10

Fibres

Creuses

Matériaux

Polymères

Modules

Transferts

Modélisation

Dimensionnement


• Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH3/Sels d’ammonium/CO2

– Méthode expérimentale Influence des conditions d’absorption • Cellule de Lewis (CEP) . Absorption de CO2, solution NH3aq. 2mas% T = 15°C

11

Sonde Pt100

Aiguil

ll

e

Septum

Phase vapeur

Phase liquide

Double enveloppe

thermostatée

Résistance

chauffante

Agitateur

magnétique

Agitateur magnétique

Barreau aimanté

Enveloppe

thermostatée

Acquisition

des

données

Capteur Pression

Pompe à

vide

Volume variable

Barreau aimanté



– Influence des conditions d’absorption sur l’enthalpie

12

via Equation de

Clausius-Clapeyron

R

H

T

p COVCO 22 ,

1

ln

Enthalpie de réaction en solution de différents solvants avec le CO2

Solvant MEA 30 mas.%

MDEA 50 mas.%

NH3 2mas.%

NH3 3mas.%

NH3

5mas.%

Enthalpie [KJ/molCO2]

84 59 111 61 40

Variation de l’Enthalpie en fonction du Captage de CO2 et de la concentration d’NH3aq .

0

20

40

60

80

100

120

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Taux de charge

Delt

a H

[K

J/m

olC

o2]

2% wt

3% wt

5% wt



– Etude Cinétique & Modélisation Absorption de CO2, solution NH3aq. 2-5 mas% T = 5-30°C

13

NH3(l) + CO2(g) + H2O(l) ↔ NH4HCO3(l)

y = -8,512x + 26,71

R² = 0,999

y = -8,444x + 24,66

R² = 0,914

y = -8,442x + 25,86

R² = 0,995

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

3,25 3,3 3,35 3,4 3,45 3,5 3,55 3,6 3,65

103/T [1/K]

Ln k

[m

3/m

ol.s

] +

6

5% NH3

2% NH3

3% NH3

RT

ELnALnk a

Cinétique globale d’absorption simplifiée

Température K 278 288 303 Cste cinétique k-1

m3.mol-1.s-1 1,54×10-3 2,20×10-3 4,98×10-3

Cste cinétique k-2 m3.mol-1.s-1

3,54×10-

8 4,07×10-

8 1,05×10-8



– Evaluation de la perte de NH3 avec une colonne de captage à Patm.

14

101112131415161718

58

59

60

61

62

63

64

65

0 5 10 15

Pe

rte

en

NH

3[k

g/s

]

CO

2cap

té [

kg

/s]

Nombre de plateaux

CO2 pour stokage

Perte de NH3



– Evaluation de la perte de NH3 avec une colonne de captage

15

0,65

0,66

0,67

0,68

0,69

0,7

0,71

0,72

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0,1 0,2 0,3 0,4

Tau

x d

e c

har

ge α

Pe

rte

de

NH

3[k

g/s

]

Pression [Mpa]

Perte en NH3 [kg/s]

Taux de charge

5 à 15% de perte selon les Cdts


• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3

– Objectifs

16

Gaz:

CO2+N2

NH3 aqueux

CO2

NH4 CO3 solution

NH3

H2 O

• Permsélectivité pour CO2

Cas Absorption

Cas Régénération

• Permsélectivité pour NH3

Cas des pertes de NH3



– Bibliographie • Perméabilité

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Très peu de données de perméabilité à NH3 des matériaux polymères

CO2 apparaît comme un gaz moins rapide que NH3

Terme thermodynamique

coefficient de solubilité du gaz

Lie la concentration du gaz A dans la phase

gazeuse et sa concentration dans la phase

polymère (cm3(STP).cm-2.cmHg)

PA = SA x DA

coefficient de diffusion du gaz traduit la mobilité du pénétrant au

travers de la membrane (cm2.s-1)

Terme cinétique

Diamètre cinétique (Å)

NH3 2,6

CO2 3,3



– Nouvelles fibres

• Enduction

18

Pilote de Modification de fibres (LGC)

Formulation

Post traitements

Fibre creuse

modifiée

Fibre creuse commerciale

P1

P2

F1a

F2e



– Nouvelles fibres

• Enduction

19

Via Modification de fibres (LGC)

FC initiale

F1a

F2e



– Identification / Caractérisation de matériaux

20

Approche physico-

chimique :

-Tv

- d

- diffusion

- absorption

Approche expérimentale :

- Temps retard

- Solubilité

- Contacteurs




21

Approche physico-

chimique :

-Tv

- d

- diffusion

- absorption


- Temps retard

- Solubilité

- Contacteurs




22

Approche physico-

chimique :

-Tv

- d

- diffusion

- absorption


- Temps retard

- Solubilité

- Contacteurs




23

Approche physico-

chimique :

-Tv

- d

- diffusion

- absorption


- Temps retard

- Solubilité

- Contacteurs

P1

P2

P3

P4


• Fait marquant :

– Identification de polymères

• Permsélectifs pour CO2

24

Gaz:

CO2+N2

NH3 aqueux

CO2

NH4 CO3 solution

NH3

H2 O

• Permsélectifs pour NH3

P2

P3

P1

P5


• Production scientifique

– Publications :

+ 1 Internationale

+ 2 communications à conférences internationales

+ 2 communications en France

– Etude de brevetabilité prévue

25


• Conclusions :

– Déroulement en phase avec le programme initial

– Loi cinétique et modèle (T1, J1)

– Plusieurs matériaux identifiés (T2, J2)

en cours: T3, étude des modules

en démarrage: T4 Implantation du Captage

• Retombées et Perspectives :

– scientifiques acquisition de connaissances nouvelles

– industrielles

en attente

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Merci pour votre attention

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NANCY

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