Etude de procédés de captage du CO2 dans les centrales thermiques

Study of CO2 capture processes in power plants

• Auteur / Autrice : Jean-Marc Amann
• Direction : Chakib Bouallou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Technique de la combustion

Procédés chimiques

Gaz à effet de serre -- Réduction

Centrales thermiques

Résumé

La présente étude a pour objectif d’évaluer et de comparer entre eux divers procédés de captage du CO2 appliqués aux centrales thermiques alimentées en gaz naturel (NGCC) et au charbon pulvérisé (CP). Ces procédés consistent en un captage du CO2 des fumées en post-combustion par des solvants chimiques, une décarbonisation du gaz naturel avec captage du CO2 en pré-combustion par un solvant physique et l’oxy-combustion du combustible avec séparation frigorifique du CO2. Ces procédés ont été évalués à l’aide du logiciel de procédés Aspen PlusTM pour aider à choisir la meilleure option pour chaque type de centrale. Pour la post-combustion, une solution aqueuse basée sur un mélange d’amines (N-méthyldiéthanolamine (MDEA) et triéthylène tétramine (TETA)) a été évaluée. Des mesures d’absorption ont été réalisées entre 298 et 333 K dans un réacteur fermé type cellule de Lewis. La pression partielle du CO2 à l’équilibre, caractéristique de la solubilité du CO2 dans le solvant, a été déterminée jusqu’à 393 K. Les performances sont comparées vis à vis de solvants plus conventionnels tels que la MDEA et la monoéthanolamine (MEA). Pour l’oxy-combustion, un procédé de captage, basé sur une séparation des composants des fumées à faible température, a été développé et appliqué aux centrales NGCC et CP. L’étude a montré que la pureté du flux d’O2 avait une influence non négligeable sur la concentration en CO2 dans les fumées et donc sur les performances du procédé de séparation. La dernière option étudiée est le reformage du gaz naturel qui permet un captage du CO2 en amont du système de production de l’électricité. Plusieurs configurations ont été évaluées : reformage à l’air ou à l’oxygène, pression de reformage et dilution du gaz de synthèse. La comparaison de ces différents concepts suggère que, à court et moyen terme, l’absorption chimique soit le procédé le plus intéressant pour la centrale NGCC. Pour la centrale CP, l’oxy-combustion peut être une option très intéressante, au même titre que le captage en post-combustion par absorption chimique.

The aim of the present study is to assess and compare various processes aiming at recover CO2 from power plants fed with natural gas (NGCC) and pulverized coal (PC). These processes are post-combustion CO2 capture using chemical solvents, natural gas reforming for pre-combustion capture by methanol and oxy-fuel combustion with cryogenic recovery of CO2. These processes were evaluated using the process software Aspen PlusTM to give some clues for choosing the best option for each type of power plant. With regard to post-combustion, an aqueous solution based on a mixture of amines (N-methyldiethanolamine (MDEA) and triethylene tetramine (TETA)) was developed. Measurements of absorption were carried out between 298 and 333 K in a Lewis cell. CO2 partial pressure at equilibrium, characteristic of its solubility in the solvent, was determined up to 393 K. The solvent performances were compared with respect to more conventional solvents such as MDEA and monoethanolamine (MEA). For oxy-fuel combustion, a recovery process, based on a cryogenic separation of the components of the flue gas, was developed and applied to power plants. The study showed that O2 purity acts on the CO2 concentration in the flue gas and thus on the performances of the recovery process. The last option is natural gas reforming with CO2 pre-combustion capture. Several configurations were assessed: air reforming and oxygen reforming, reforming pressure and dilution of the synthesis gas. The comparison of these various concepts suggests that, in the short and medium term, chemical absorption is the most interesting process for NGCC power plants. For CP power plants, oxy-combustion can be a very interesting option, as well as post-combustion capture by chemical solvents.