Gazéification du charbon

Pendant la gazéification, le charbon est soufflé avec de l’oxygène et de la vapeur (vapeur d’eau) tout en étant chauffé (et dans certains cas sous pression). Si le charbon est chauffé par des sources de chaleur externes, le processus est appelé “allothermique”, tandis que le processus “autothermique” suppose le chauffage du charbon par des réactions chimiques exothermiques se produisant à l’intérieur du gazéifieur lui-même. Il est essentiel que le comburant fourni soit insuffisant pour une oxydation complète (combustion) du carburant. Au cours des réactions mentionnées, les molécules d’oxygène et d’eau oxydent le charbon et produisent un mélange gazeux de dioxyde de carbone (CO2), de monoxyde de carbone (CO), de vapeur d’eau (H2O) et d’hydrogène moléculaire (H2). (Certains sous-produits comme le goudron, les phénols, etc. sont également des produits finaux possibles, en fonction de la technologie de gazéification spécifique utilisée.) Ce processus a été mené in situ dans des filons de charbon naturels (appelés gazéification souterraine du charbon) et dans des raffineries de charbon. Le produit final souhaité est généralement du gaz de synthèse (c’est-à-dire une combinaison de H2 + CO), mais le gaz de charbon produit peut également être raffiné pour produire des quantités supplémentaires de H2:

3C (c’est-à-dire du charbon) + O2 + H2O → H2 + 3CO

Si le raffineur veut produire des alcanes (c’est-à-dire, hydrocarbures présents dans le gaz naturel, l’essence et le carburant diesel), le gaz de houille est collecté dans cet état et acheminé vers un réacteur Fischer-Tropsch. Si, cependant, l’hydrogène est le produit final souhaité, le gaz de charbon (principalement le produit CO) subit la réaction de déplacement du gaz de l’eau où plus d’hydrogène est produit par réaction supplémentaire avec la vapeur d’eau:

CO + H2O → CO2 + H2

Bien que d’autres technologies de gazéification du charbon existent actuellement, toutes utilisent, en général, les mêmes procédés chimiques. Pour les charbons à faible teneur (c.-à-d., “charbons bruns”) qui contiennent des quantités importantes d’eau, il existe des technologies dans lesquelles aucune vapeur n’est nécessaire pendant la réaction, le charbon (carbone) et l’oxygène étant les seuls réactifs. De plus, certaines technologies de gazéification du charbon ne nécessitent pas de pressions élevées. Certains utilisent du charbon pulvérisé comme combustible tandis que d’autres travaillent avec des fractions de charbon relativement importantes. Les technologies de gazéification varient également dans la manière dont le soufflage est fourni.

Le “soufflage direct” suppose que le charbon et le comburant sont alimentés l’un vers l’autre par les côtés opposés du canal du réacteur. Dans ce cas, l’oxydant traverse le coke et (plus probablement) les cendres jusqu’à la zone de réaction où il interagit avec le charbon. Le gaz chaud produit passe alors le combustible frais et le chauffe tout en absorbant certains produits de destruction thermique du combustible, tels que les goudrons et les phénols. Ainsi, le gaz nécessite un raffinage important avant d’être utilisé dans la réaction de Fischer-Tropsch. Les produits du raffinement sont hautement toxiques et nécessitent des installations spéciales pour leur utilisation. En conséquence, l’usine utilisant les technologies décrites doit être très grande pour être économiquement efficace. L’une de ces usines appelée SASOL est située en République d’Afrique du Sud (RSA). Il a été construit en raison de l’embargo appliqué au pays l’empêchant d’importer du pétrole et du gaz naturel. RSA est riche en charbon bitumineux et en Anthracite et a pu organiser l’utilisation du célèbre procédé de gazéification à haute pression “Lurgi” développé en Allemagne dans la première moitié du XXe siècle.

Le “soufflage inversé” (par rapport au type précédent décrit qui a été inventé en premier) suppose que le charbon et le comburant sont alimentés du même côté du réacteur. Dans ce cas, il n’y a pas d’interaction chimique entre le charbon et l’oxydant avant la zone de réaction. Le gaz produit dans la zone réactionnelle passe les produits solides de gazéification (coke et cendres), et le CO2 et H2O contenus dans le gaz sont en outre chimiquement restaurés en CO et H2. Par rapport à la technologie de “soufflage direct”, aucun sous-produit toxique n’est présent dans le gaz: ceux-ci sont désactivés dans la zone de réaction. Ce type de gazéification a été développé dans la première moitié du 20ème siècle, avec le “soufflage direct”, mais le taux de production de gaz y est nettement inférieur à celui du “soufflage direct” et il n’y a eu aucun effort supplémentaire de développement des procédés de “soufflage inversé” jusqu’aux années 1980, lorsqu’un centre de recherche soviétique KATEKNIIUgol ‘ (Institut R & D pour le développement du gisement de charbon de Kansk-Achinsk) a commencé des activités R & D pour produire la technologie maintenant connue sous le nom de procédé “TERMOKOKS-S”. La raison de raviver l’intérêt pour ce type de procédé de gazéification est qu’il est écologiquement propre et capable de produire deux types de produits utiles (simultanément ou séparément): le gaz (combustible ou gaz de synthèse) et le coke à température moyenne. Le premier peut être utilisé comme combustible pour les chaudières à gaz et les générateurs diesel ou comme gaz de synthèse pour la production d’essence, etc., ce dernier – en tant que carburant technologique en métallurgie, en tant qu’absorbant chimique ou en tant que matière première pour les briquettes de carburant domestiques. La combustion du gaz produit dans les chaudières à gaz est écologiquement plus propre que la combustion du charbon initial. Ainsi, une installation utilisant la technologie de gazéification avec le “soufflage inversé” est capable de produire deux produits de valeur dont l’un a un coût de production relativement nul puisque ce dernier est couvert par un prix de marché compétitif de l’autre. Comme l’Union soviétique et son KATEKNIIUgol ‘ ont cessé d’exister, la technologie a été adoptée par les scientifiques qui l’ont développée à l’origine et fait maintenant l’objet de recherches supplémentaires en Russie et d’une distribution commerciale dans le monde entier. Les installations industrielles qui l’utilisent sont maintenant connues pour fonctionner à Oulan-Bator (Mongolie) et à Krasnoïarsk (Russie).

Technologie de gazéification de lit de flux d’air sous pression créée par le développement conjoint entre Wison Group et Shell (hybride). Exemple: Hybrid est une technologie avancée de gazéification du charbon pulvérisé, cette technologie combinée aux avantages existants de la chaudière à chaleur résiduelle Shell SCGP, comprend plus qu’un simple système de transport, un agencement de brûleur de gazéification sous pression de charbon pulvérisé, une paroi d’eau de type membrane de brûleur à jet latéral, et la décharge intermittente a été entièrement validée dans l’usine SCGP existante telle qu’une technologie mature et fiable, en même temps, elle a éliminé les complications de processus existantes et dans le refroidisseur de gaz de synthèse (bac à déchets) et les filtres qui ont facilement échoué, et combiné le courant existant technologie de gazéification largement utilisée dans les processus de trempe au gaz synthétique. Il conserve non seulement la chaudière à chaleur résiduelle SCGP d’origine des caractéristiques du charbon de forte adaptabilité et de capacité à s’étendre facilement, mais absorbe également les avantages de la technologie de trempe existante.

Gazéification souterraine du charbonmodifier

La gazéification souterraine du charbon (UCG) est un processus de gazéification industrielle, qui est effectué dans des veines de charbon non exploitées. Il s’agit d’injecter un agent oxydant gazeux, généralement de l’oxygène ou de l’air, et d’amener le gaz produit résultant à la surface à travers des puits de production forés à partir de la surface. Le gaz produit peut être utilisé comme matière première chimique ou comme combustible pour la production d’électricité. La technique peut être appliquée à des ressources qui ne sont par ailleurs pas économiques à extraire. Il offre également une alternative aux méthodes conventionnelles d’extraction du charbon. Par rapport à l’extraction et à la gazéification traditionnelles du charbon, l’UCG a moins d’impact environnemental et social, bien que des préoccupations environnementales existent, y compris le potentiel de contamination des aquifères.

Technologie de captage du carbonemodifier

Le captage, l’utilisation et la séquestration (ou le stockage) du carbone sont de plus en plus utilisés dans les projets modernes de gazéification du charbon pour répondre aux préoccupations liées aux émissions de gaz à effet de serre associées à l’utilisation du charbon et des combustibles carbonés. A cet égard, la gazéification présente un avantage significatif par rapport à la combustion classique du charbon extrait, dans laquelle le CO2 résultant de la combustion est considérablement dilué par l’azote et l’oxygène résiduel dans les gaz d’échappement de combustion à pression proche de l’environnement, ce qui rend relativement difficile, énergivore et coûteux le captage du CO2 (captage dit “post-combustion” du CO2).

Dans la gazéification, en revanche, l’oxygène est normalement fourni aux gazéificateurs et juste assez de combustible est brûlé pour fournir la chaleur nécessaire à la gazéification du reste; de plus, la gazéification est souvent effectuée à une pression élevée. Le gaz de synthèse qui en résulte est généralement à une pression plus élevée et non dilué par l’azote, ce qui permet une élimination beaucoup plus facile, efficace et moins coûteuse du CO2. La capacité unique du cycle combiné de gazéification et de gazéification intégrée à éliminer facilement le CO2 du gaz de synthèse avant sa combustion dans une turbine à gaz (capture de CO2 dite de “précombustion”) ou son utilisation dans la synthèse de carburants ou de produits chimiques est l’un de ses avantages significatifs par rapport aux systèmes d’utilisation du charbon conventionnels.

Options de technologie de capture de co2modiFier

Tous les procédés de conversion basés sur la gazéification du charbon nécessitent l’élimination du sulfure d’hydrogène (H2S, un gaz acide) du gaz de synthèse dans le cadre de la configuration globale de l’usine. Les procédés typiques d’élimination des gaz acides (AGR) utilisés pour la conception de la gazéification sont soit un système de solvants chimiques (p. ex., des systèmes de traitement des amines gazeuses à base de MDEA, par example) ou un système de solvant physique (par example du Rectisol ou du Sélexol). La sélection des processus dépend principalement des exigences et des coûts de nettoyage du gaz de synthèse. Les procédés AGR chimiques / physiques conventionnels utilisant MDEA, Rectisol ou Selexol sont des technologies éprouvées dans le commerce et peuvent être conçus pour l’élimination sélective du CO2 en plus du H2S d’un flux de gaz de synthèse. Pour une capture importante du CO2 d’une usine de gazéification (p. ex. > 80%) le CO dans le gaz de synthèse doit d’abord être converti en CO2 et en hydrogène (H2) via une étape de décalage eau-gaz (WGS) en amont de l’usine AGR.

Pour les applications de gazéification ou de Cycle combiné de gazéification intégrée (IGCC), les modifications de l’installation requises pour ajouter la capacité de capture du CO2 sont minimes. Le gaz de synthèse produit par les gazéificateurs doit être traité par divers procédés pour éliminer les impuretés déjà présentes dans le flux de gaz, de sorte que tout ce qui est nécessaire pour éliminer le CO2 est d’ajouter l’équipement nécessaire, un absorbeur et un régénérateur, à ce train de processus.

Dans les applications de combustion, des modifications doivent être apportées à la cheminée d’échappement et, en raison des concentrations plus faibles de CO2 présentes dans les gaz d’échappement, des volumes de gaz totaux beaucoup plus importants nécessitent un traitement, nécessitant un équipement plus grand et plus coûteux.

Projets basés sur l’IGCC (Cycle combiné de gazéification Intégrée) aux États-Unis avec capture et utilisation / stockage du co2modiFier

Le projet Kemper de Mississippi Power a été conçu comme une centrale IGCC au lignite, générant une puissance nette de 524 MW à partir du gaz de synthèse, tout en capturant plus de 65% du CO2 généré par le procédé Selexol. La technologie de l’installation de Kemper, la gazéification intégrée au transport (TRIG), a été développée et est autorisée par KBR. Le CO2 sera envoyé par pipeline vers des champs pétrolifères épuisés dans le Mississippi pour des opérations de récupération assistée du pétrole. L’usine a raté tous ses objectifs et les plans de production de “charbon propre” ont été abandonnés en juillet 2017. L’usine devrait continuer à brûler du gaz naturel uniquement.

Hydrogen Energy California (HECA) sera une usine de polygénération IGCC alimentée au charbon et au coke de pétrole de 300 MW (produisant de l’hydrogène pour la production d’électricité et la fabrication d’engrais). Quatre-vingt-dix pour cent du CO2 produit sera capturé (à l’aide de Rectisol) et transporté au champ pétrolifère d’Elk Hills pour l’EOR, ce qui permettra de récupérer 5 millions de barils supplémentaires de pétrole domestique par an. Le 4 mars 2016, la Commission de l’énergie de Californie a ordonné la résiliation de la demande HECA.

Le projet d’énergie propre du Texas (TCEP) de Summit sera un projet de puissance / polygénération de 400 MW alimenté au charbon et à base d’IGCC (produisant également de l’engrais à base d’urée), qui captera 90% de son CO2 en précombustion en utilisant le procédé Rectisol. Le CO2 non utilisé dans la fabrication d’engrais sera utilisé pour la récupération assistée du pétrole dans le bassin permien de l’Ouest du Texas.

Des usines telles que le Texas Clean Energy Project qui utilisent le captage et le stockage du carbone ont été présentées comme une solution partielle ou provisoire aux problèmes de réglementation si elles peuvent être rendues économiquement viables par une conception améliorée et une production de masse. Il y a eu l’opposition des régulateurs des services publics et des contribuables en raison de l’augmentation des coûts; et des écologistes tels que Bill McKibben, qui considèrent que toute utilisation continue des combustibles fossiles est contre-productive.