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
• Présentation du projet et de son état d’avancement
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Séminaire mi-parcours édition EESI 2009 « ACRONYME » AméliE_CO2
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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
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NANCY
• Objectifs du projet :
• Défis scientifiques et techniques :
• Résultats majeurs escomptés :
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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
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• 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
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• 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
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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
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Pas de contact direct entre phases
Aire interfaciale constante
Intensification (10 000m2/m3)
• Stratégie du projet
– 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°, [])
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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
• Stratégie du projet
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Diagrammes ELV H2O/NH3 et H2O/MEA
• Stratégie du projet
NH3: 10ppm
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• Partenariat
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Fibres
Creuses
Matériaux
Polymères
Modules
Transferts
Modélisation
Dimensionnement
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• 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
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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
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• Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH3/Sels d’ammonium/CO2
– Influence des conditions d’absorption sur l’enthalpie
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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
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• Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH3/Sels d’ammonium/CO2
– Etude Cinétique & Modélisation Absorption de CO2, solution NH3aq. 2-5 mas% T = 5-30°C
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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
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• Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH3/Sels d’ammonium/CO2
– Evaluation de la perte de NH3 avec une colonne de captage à Patm.
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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
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• Principaux résultats Tâche 1 : Caractérisations du système NH3/Sels d’ammonium/CO2
– 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
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Objectifs
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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
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / 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
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Nouvelles fibres
• Enduction
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Pilote de Modification de fibres (LGC)
Formulation
Post traitements
Fibre creuse
modifiée
Fibre creuse commerciale
P1
P2
F1a
F2e
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Nouvelles fibres
• Enduction
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Via Modification de fibres (LGC)
FC initiale
F1a
F2e
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Identification / Caractérisation de matériaux
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Approche physico-
chimique :
-Tv
- d
- diffusion
- absorption
Approche expérimentale :
- Temps retard
- Solubilité
- Contacteurs
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Identification / Caractérisation de matériaux
21
Approche physico-
chimique :
-Tv
- d
- diffusion
- absorption
Approche expérimentale :
- Temps retard
- Solubilité
- Contacteurs
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Identification / Caractérisation de matériaux
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Approche physico-
chimique :
-Tv
- d
- diffusion
- absorption
Approche expérimentale :
- Temps retard
- Solubilité
- Contacteurs
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• Principaux résultats Tâche 2 : Matériaux et contacteurs membranaires dotés de perméation sélective pour CO2 / NH3
– Identification / Caractérisation de matériaux
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Approche physico-
chimique :
-Tv
- d
- diffusion
- absorption
Approche expérimentale :
- Temps retard
- Solubilité
- Contacteurs
P1
P2
P3
P4
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• Fait marquant :
– Identification de polymères
• Permsélectifs pour CO2
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Gaz:
CO2+N2
NH3 aqueux
CO2
NH4 CO3 solution
NH3
H2 O
• Permsélectifs pour NH3
P2
P3
P1
P5
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• Production scientifique
– Publications :
+ 1 Internationale
+ 2 communications à conférences internationales
+ 2 communications en France
– Etude de brevetabilité prévue
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• 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