Présentation

Cette séance présente les modèles d’un ensemble de composants destinés à permettre la capture du CO₂ par absorption physique dans du méthanol, qui constitue l’une des voies envisageables, notamment lorsque la capture peut avoir lieu en amont de la chambre de combustion.

Nous supposerons que le gaz combustible est un gaz de synthèse légèrement pressurisé, composé de monoxyde de carbone CO, d’hydrogène H₂, d’eau H₂O, et de gaz inertes comme de l’azote N₂.

Dans une première étape, le CO est transformé en CO₂ dans un réacteur dit Shift CO, selon la réaction d’équilibre équimolaire, et donc non influencée par la pression :

CO + H₂O CO₂ + H₂

Dans une seconde étape, après avoir été séché, le gaz de synthèse contenant du CO₂ est absorbé par du méthanol, tandis que le gaz combustible sans CO₂ est dirigé vers la chambre de combustion.

Dans une troisième étape, le mélange méthanol/CO₂ passe dans le régénérateur de méthanol, qui permet d’en extraire la plus grande partie du CO₂. Le méthanol appauvri est redirigé vers la colonne d’absorption.

Les modèles d’absorption et de régénération du méthanol sont basés sur le travail réalisé par Cathy DESCAMPS dans sa thèse de Doctorat, soutenue le 1^er juin 2004 à l’Ecole des Mines de Paris (Mines ParisTech), dont le titre est : “Étude de la capture du CO₂ par absorption physique dans les systèmes de production d’électricité basés sur la gazéification du charbon intégrée à un cycle combiné”.

Les indications que nous donnons dans ce module de formation à distance ne pouvant être que très sommaires, nous vous recommandons de vous reporter à des ouvrages qui traitent de manière approfondie de l’absorption. Vous trouverez des explications complémentaires dans l’article des Techniques de l’Ingénieur ci-dessous :

• Distillation. Absorption : Étude pratique, article J2 610, par Jean-Charles CICILE

• techniques de l’ingénieur

Gaz de synthèse

• obtenu par gazéification ou reformage

• composition :

  
• CO₂ + H₂ ↔ CO + H₂O (ΔHv = 41 kJ/mol)

Réaction shift

• CO + H2O ↔ CO2 + H2 (ΔHv = 41 kJ/mol)
• équimolaire (non influencée par P)

• avec autres espèces

  

• à l’équilibre

  

Résolution du modèle

• 3 équations :

• Kp = f(T)

  

• Loi d’action de masse

  
• Équilibre enthalpique du réacteur
• dichotomie sur la valeur de k

Écran du composant shift CO

Schéma de l’unité de conversion

Composition des gaz

• gaz humidifié PCI : 6 483 kJ/kg

  

• gaz converti PCI : 5 876 kJ/kg

  

Étude de la classe externe

Condensation du gaz converti

Composant condenseur

• gaz déshydraté PCI : 6 381 kJ/kg

Composition des gaz

Étude de la classe externe

Absorption dans le méthanol

Bilan matière

• eau résiduelle (fraction très faible) complètement absorbée
• N₂ et CO sortent en tête complètement
• environ 99% de H₂ récupéré en tête, le reste étant absorbé dans le solvant
• la plus grande partie du CO₂ est absorbée dans le solvant

Paramétrage du modèle

• paramètre essentiel : ε taux de séparation du CO₂
• ε détermine :
• le débit de solvant
• la température du CO₂ en sortie de colonne
• les puissances de refroidissement et de compression
• hypothèses simplificatrices :
• on néglige l’eau et l’hydrogène convertis
• le CO2 contenu dans la solution pauvre de méthanol
• propriétés du mélange méthanol/CO₂ supposées égales à celles du méthanol pur

Schéma Thermoptim

Écran du composant

• gaz décarboné PCI : 25 024 kJ/kg

Composition des gaz

Étude de la classe externe

Mélange CO₂/méthanol

• modélisé par la classe CO2Methanol (assimilé à du méthanol pur)
• caractérisé par titre massique, rapport du débit-masse de CO₂ au débit masse total (méthanol + CO₂)
• titre en CO₂ passe par la variable x

Régénération du méthanol

Paramétrage du modèle

• paramètre essentiel : ε taux de séparation du CO₂ dans la colonne d’absorption
• ε déterminé par titre en CO₂ de la solution riche
• seul CO₂ pris en compte (H₂O et H₂ négligés)
• régénération supposée totale (la solution pauvre est du méthanol pur)

Schéma Thermoptim

Écran du composant

Étude de la classe externe

Récapitulatif

Au cours de cette séance, nous avons présenté les modèles d’un ensemble de composants destinés à permettre la capture du CO₂ par absorption physique dans du méthanol.

Sur la base des résultats que nous avons obtenus, nous pouvons faire une première estimation de l’impact de la capture du CO₂ sur les performances de la centrale électrique considérée.

Nous supposerons que la centrale sans capture a un rendement de 45 %, et que la réaction shift est globalement équilibrée thermiquement, c’est-à-dire que la chaleur qu’elle dégage suffit à vaporiser l’eau dont elle a besoin.

Dans ces conditions, les besoins du dispositif de capture en chaleur, en puissance mécanique et en refroidissement sont donnés dans le tableau ci-dessous, exprimés en kW, pour une centrale de puissance nominale 200 MW.

Les 19 MW de perte de puissance mécanique imputés à la conversion shift correspondent à la baisse de PCI qui prend place pendant cette opération.

À ces valeurs, déjà très élevées, il faudrait ajouter la puissance de compression du CO₂ capturé, qui doit généralement être livré à environ 120 bar, alors qu’on l’extrait à 1,2 bar.

Cette analyse sommaire permet de se faire une première idée de l’impact de la capture du CO₂ sur les performances de la centrale.

L’ensemble des fichiers de travail correspondant aux modèles présentés peut être téléchargé à partir du lien ci-dessous.

• Lien vers les modèles