Projet AméliE_CO 2 Appel à projets 2009 Denis Roizard Laboratoire Réactions et Génie des Procédés Nancy, CNRS 3349 Université de Lorraine 1
AméliE_CO2 Amélioration de l Efficacité énergétique des centrales thermiques intégrant le captage de CO 2 assisté par contacteurs membranaires Partenaires : LRGP CNRS D.Roizard Laboratoire de Génie Chimique UPS, Toulouse J.C. Remigy ARMINES-CEP ParisTech C. Bouallou Polymen Toulouse O. Lorain EDF R&D Chatou M.Kanniche Date de début du projet : 01/12/2009 Date de fin du projet : 31/12/2012 Budget total : 1468 k Aide accordée : 838 k Labellisation par un ou des pôle(s) de compétitivité : - 2
Rappel du contexte et des enjeux Cas du captage en postcombustion centrales thermiques CO 2 <15% Concilier: La Réduction des émissions de CO 2 Efficacité énergétique Baisser le coût du Captage et Intégrer le Captage dans les futures CT NH 3 / Amines Flexibilité, modularité du captage Intensification 3
Objectifs et positionnement du projet Production d'électricité optimisée Centrale thermique Intégration du Captage CO2 en post-combustion Concevoir et Développer des Contacteurs membranaires pour des Solutions d'ammoniaque Pas de contact direct Aire interfaciale constante Choix de la membrane: k m si Fibres Creuses=> gde Interface Intérêts d un contacteur à fibres creuses à peau dense sélective NB: Expérience acquise dans CICADI ANR 2006 4
Défis scientifiques et technologiques Diagrammes ELV H 2 O/NH 3 et H 2 O/MEA NH 3 : 10ppm Matériaux : Identification et Réalisation de modules Faciliter la mise en œuvre de solutions ammoniacales Intégration et simulation d un système complexe 5
Stratégie suivie Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 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 6
Résultats Tâche 1 : Caractérisation du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 Particularités du système NH 3 + H 2 O + 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) ABC BC
Delta H [KJ/molCo 2] Résultats Tâche 1 : Caractérisation du système NH 3 /Sels d ammonium/co 2 120 100 80 60 40 20 0 0 0,1 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 ] 84 59 111 61 40 8
Résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO 2 / NH 3 Bibliographie Perméabilité des matériaux denses : 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
Résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs Identification de matériaux permsélectif pour NH 3 Perméabilité NH 3 >> CO 2 NH 3 : gaz «rapide» vis-à-vis de CO 2 Diamètre cinétique (Å) NH 3 2,6 CO 2 3,3 NH 3 : gaz «+ condensable» que CO 2 Cas des pertes de NH 3 Perméance (-) CO 2 1 Sélectivité NH 3 /CO 2 NH 3 600 2 à 600 H 2 O NH 3 10
Résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires Difficulté: Identification de matériaux permsélectif pour CO 2 /NH 3 car Perméabilité NH 3 >> CO 2 NH 3 : gaz «rapide» vis-à-vis de CO 2 NH 3 : gaz «+ condensable» que CO 2 CO 2 : «+ d affinité» que NH 3 NH 3 aqueux Gaz: CO 2 +N 2 Cas Absorption de CO 2 Perméance (-) NH 3 1 Sélectivité CO2/NH3 CO 2 2 à 5 2 à 5 NH 4 CO 3 solution CO 2 et Régénération 11
Résultats Identification / Caractérisation de matériaux / Stabilité à NH 3 Approche physicochimique : -Tv - d - diffusion - absorption Approche expérimentale : - Temps retard - Solubilité - Contacteurs 12
Résultats Identification / Caractérisation de matériaux / Stabilité à NH 3 Approche physicochimique : -Tv - d - diffusion - absorption Approche expérimentale : - Temps retard - Solubilité - Contacteurs 13
Résultats Nouvelles fibres par enduction Post traitements P1 Formulation Fibre creuse commerciale P2 Fibre creuse modifiée Pilote de Modification de fibres (LGC, Toulouse) 14
Résultats Tâche 3 : Etude des modules membranaires pour le système NH 3 /ABC/AC//CO 2 FC initiale F1a F2e Etude du captage des fibres et des modules membranaires - CO 2 15% 150 ml/mn - NH 3 aq. 10% 20 ml/mn > 95% 15
Conclusions et perspectives T1: Plusieurs matériaux identifiés : pour l absorption ou la régénération pour la récupération des pertes NH3 dans les fumées T2: Stabilité des matériaux choisis Fabrication de fibres composites Fabrication des modules d absorption T3: en cours Efficacité du captage vérifiée T4: en démarrage -> Modélisation du Captage 16
Conclusions et perspectives Fumées épurées Fumées NH 3 aq NH 3 aq, NH 4 CO 3 Absorption Désorption? 17
Merci pour votre attention Fibres Creuses Matériaux Polymères Procédés Transferts Modélisation Modules Dimensionnement 18