AméliE_CO 2. Denis Roizard. Laboratoire Réactions et Génie des Procédés UPR CNRS 3349 Université de Lorraine

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1 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 Denis.Roizard@ensic.inpl-nancy.fr Présentation du projet et de son état d avancement 1

2 Coordinateur : LRGP (CNRS 3349) Nancy 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 Budget (M ) Aide (M ) Nombre de personnes.ans 1, , ,33 Date de démarrage : 01/12/2009 Date de fin prévue: 31/12/2012 2

3 Objectifs du projet : Production d'électricité optimisée Centrale thermique Intégration du Captage CO2 en postcombustion Potentiel des Contacteurs membranaires: - absorption - régénération Solutions de carbonates d'ammonium : - confinement - Km Sélectivité NANCY membranaire CO2 vs NH3 Défis scientifiques et techniques : Matériaux : Identification et Réalisation de modules Faciliter la mise en œuvre de solutions ammoniacales Intégration et simulation d un système complexe Résultats majeurs escomptés : Validation du concept : limitation de la perte d NH3 et Captage CO 2 efficace Intérêt en Absorption, en Désorption, en Epuration Limiter la demande énergétique Intensification Meilleure efficacité énergétique d une Centrale Thermique 3

4 Programme de travail : 4 TACHES T1 : Caractérisation du système NH 3 /sels d ammonium/co 2 Responsable : Partenaire 2 (LRGP-Nancy) Cette tâche est terminée NANCY T2 : Sélection de matériaux et de contacteurs membranaires (CM) dotés de perméation sélective pour CO 2 ou pour NH 3 Responsable : Partenaire 2 (LGC-Toulouse) tâche complétée à 65% T3 : Etude de l implémentation de modules membranaires pour le système NH 3 /ABC/AC//CO 2 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

5 Programme de travail : 8 Jalons prévue livré NANCY Détermination des lois cinétiques d absorption de CO2 par une solution aqueuse de NH3 Identification des matériaux sélectifs à CO2 et barrières pour NH3 pour la faisabilité de FC Préparation des 1ers modules prototypes d absorption/ de régénération Qualifier la faisabilité et les plages d intérêt applicatif pour le concept NH3-contacteur membranaire Détermination de l efficacité du captage en continu avec régénération Aménagement des servitudes fournies par la centrale à l unité de captage en vue de minimiser la pénalité énergétique de la centrale. Potentiels comparés du captage de CO2 par des solutions de carbonate d ammonium refroidies sans et avec contacteurs membranaires Variantes d intégration du procédé en vue de minimiser la consommation énergétique du procédé de captage Jalon 1 M12 01/11 P3 Jalon 2 M15 10/11 P2 Jalon 3 M28 P4 Jalon 4 M21 P1 Jalon 5 M30 P3 Jalon 6 M28 P5 Jalon 7 M32 P5 Jalon 8 M35 P5 5

6 Stratégie du projet Baisser le coût du Captage et Intégrer le Captage dans les futures CT NH3 / Amines Contacteur Mb Flexibilité, modularité des CM Intensification Axe des connaissances Tâche 1 Tâche 2 Axe technologique Tâche 3 Tâche 4 Axe d innovation T=0 M12 M24 M36 temps (mois) 6

7 Stratégie du projet Principe de fonctionnement d un contacteur à fibres creuses Entrée Gaz Sorti e Gaz NH 3 aqueux Sortie Liquide Entrée Liquide Gaz: CO 2 +N 2 Pas de contact direct entre phases Aire interfaciale constante Intensification (10 000m 2 /m 3 ) Confinement de l ammoniac en phase liquide : membrane = barrière physique Élargir les plages opératoires (P, T, []) 7

8 Stratégie du projet Particularités du système NH 3 + CO 2 Mécanisme simplifié : NH 3(l) + CO 2(g) + H 2 O (l) NH 4 HCO 3(aq) Bicarbonate ABC 2 NH 3(l) + CO 2(g) + H 2 O (l) (NH 4 ) 2 CO 3 (s) Carbonate AC Mécanisme complet : 2 NH 3(l) + CO 2(g) NH 2 COONH 4(s) Carbamate NH 2 COONH 4(s) + H 2 O (l) NH 4 HCO 3(s) + NH 3(g) ABC NH 4 HCO 3(aq) + NH 4 OH (l) (NH 4 ) 2 CO 3(s) + H 2 O (l) (NH 4 ) 2 CO 3(s) + H 2 O (l) + CO 2(g) 2 NH 4 HCO 3(l) BC ABC 8

9 Stratégie du projet Diagrammes ELV H 2 O/NH 3 et H 2 O/MEA NH 3 : 10ppm 9

10 Partenariat Fibres Creuses Matériaux Polymères Transferts Modélisation Dimensionnement Modules 10

11 Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 Méthode expérimentale Influence des conditions d absorption Cellule de Lewis (CEP). Absorption de CO 2, solution NH 3 aq. 2mas% T = 15 C Acquisition des données Volume variable Enveloppe thermostatée Capteur Pression Pompe à vide Résistance chauffante Barreau aimanté Phase vapeur Agitateur magnétique Phase liquide Barreau aimanté Double enveloppe thermostatée Agitateur magnétique Septum Aiguile ll Sonde Pt100 11

12 Delta H [KJ/molCo 2] Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 Influence des conditions d absorption sur l enthalpie ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 2% wt 3% wt 5% wt via Equation de Clausius-Clapeyron ln p 1 T H R CO2 V, CO2 Taux de charge Variation de l Enthalpie en fonction du Captage de CO 2 et de la concentration d NH 3aq. Enthalpie de réaction en solution de différents solvants avec le CO 2 Solvant MEA 30 mas.% MDEA 50 mas.% NH 3 2mas.% NH 3 3mas.% NH 3 5mas.% Enthalpie [KJ/molCO 2 ]

13 Ln k [m 3 /mol.s] + 6 Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 Etude Cinétique & Modélisation Absorption de CO 2, solution NH 3aq. 2-5 mas% T = 5-30 C 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 y = -8,444x + 24,66 R² = 0,914 y = -8,512x + 26,71 R² = 0,999 y = -8,442x + 25,86 R² = 0,995 3,25 3,3 3,35 3,4 3,45 3,5 3,55 3,6 3,65 Ea Lnk LnA RT 10 3 /T [1/K] 5% NH3 2% NH3 3% NH3 Cinétique globale d absorption simplifiée NH 3(l) + CO 2(g) + H 2 O (l) NH 4 HCO 3(l) Température K Cste cinétique k- 1 m 3.mol -1.s -1 Cste cinétique k -2 m 3.mol -1.s -1 1, , , , , ,

14 CO 2 capté [kg/s] Perte en NH 3 [kg/s] Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 Evaluation de la perte de NH 3 avec une colonne de captage à P atm CO2 pour stokage Perte de NH Nombre de plateaux

15 Perte de NH3 [kg/s] Taux de charge α Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 Evaluation de la perte de NH 3 avec une colonne de captage ,1 0,2 0,3 0,4 Pression [Mpa] Perte en NH3 [kg/s] Taux de charge 0,72 0,71 0,7 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 5 à 15% de perte selon les Cdts 15

16 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Objectifs Permsélectivité pour CO 2 Cas Absorption NH 3 aqueux Gaz: CO 2 +N 2 NH 4 CO 3 solution Cas Régénération CO 2 H 2 O Permsélectivité pour NH 3 NH 3 Cas des pertes de NH 3 16

17 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Bibliographie Perméabilité P A = S A x D A coefficient de solubilité du gaz Lie la concentration du gaz A dans la phase gazeuse et sa concentration dans la phase polymère (cm 3 (STP).cm -2.cmHg) Terme thermodynamique coefficient de diffusion du gaz traduit la mobilité du pénétrant au travers de la membrane (cm 2.s -1 ) Terme cinétique Très peu de données de perméabilité à NH 3 des matériaux polymères CO 2 apparaît comme un gaz moins rapide que NH 3 Diamètre cinétique (Å) NH 3 2,6 CO 2 3,3 17

18 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Nouvelles fibres Enduction Post traitements P1 Formulation Fibre creuse commerciale P2 Fibre creuse modifiée F1a F2e Pilote de Modification de fibres (LGC) 18

19 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Nouvelles fibres Enduction FC initiale F1a F2e Via Modification de fibres (LGC) 19

20 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Identification / Caractérisation de matériaux Approche physicochimique : -Tv - d - diffusion - absorption Approche expérimentale : - Temps retard - Solubilité - Contacteurs 20

21 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Identification / Caractérisation de matériaux Approche physicochimique : -Tv - d - diffusion - absorption Approche expérimentale : - Temps retard - Solubilité - Contacteurs 21

22 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Identification / Caractérisation de matériaux Approche physicochimique : -Tv - d - diffusion - absorption Approche expérimentale : - Temps retard - Solubilité - Contacteurs 22

23 Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Identification / Caractérisation de matériaux Approche physicochimique : -Tv - d - diffusion - absorption Approche expérimentale : - Temps retard - Solubilité - Contacteurs P1 P2 P3 P4 23

24 Fait marquant : Identification de polymères Permsélectifs pour CO 2 P2 P3 NH 3 aqueux Gaz: CO 2 +N 2 NH 4 CO 3 solution CO 2 H 2 O Permsélectifs pour NH 3 P1 P5 NH 3 24

25 Production scientifique Publications : + 1 Internationale + 2 communications à conférences internationales + 2 communications en France Etude de brevetabilité prévue 25

26 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 26

27 Merci pour votre attention NANCY 27