Development of novel perovskite-based oxygen carriers for chemical looping combustion

Authors: Sarshar, Zahra
Advisor: Kaliaguine, S.
Abstract: La combustion en boucle chimique (CLC; Chemical Looping Combustion) est apparue récemment comme une nouvelle technologie prometteuse pour la capture du CO2 dans les centrales électriques à base de combustibles fossiles. Le principe de CLC repose sur l'utilisation de matériaux porteurs d'oxygène dans des cycles d'oxydation-réduction. Dans la CLC il n'y a aucun contact direct entre l'air et le carburant empêchant ainsi la dilution des émissions de CO₂ dans le flux gazeux de N₂ dans l'air. Aucune séparation spécifique de l'oxygène dans l'air ou du CO₂ dans les fumées de combustion n'est requise, ce qui conduit potentiellement à de plus faibles pénalisations énergétiques. La CLC minimise également la formation de NOx parce que le combustible brûle en l'absence d'air et sans flamme. Il est nécessaire de résoudre les défis qui subsistent pour la CLC, en termes des matériaux, les processus, les coûts et les questions environnementales, afin de présenter la CLC comme une technologie industrielle viable. Les porteurs d'oxygène précédemment étudiés ont montré des enjeux tels que la faible capacité de transfert d'oxygène, le taux peu élevé de réduction et d'oxydation, la faible stabilité physico-chimique au cours de plusieurs cycles, la forte tendance au dépôt de coke et à l'agglomération des particules, et des limites thermodynamiques conduisant à la formation des produits de combustion incomplète (CO). Par conséquent, il est nécessaire de développer et de modifier des nouveaux porteurs d'oxygène qui satisfassent aux exigences du procédé de CLC. Cette thèse est focalisée sur le développement des porteurs d'oxygène à base de pérovskite ayant des propriétés souhaitables pour la CLC. Les pérovskites (LaCo0₃ et LaMnO₃) sont préparées par le procédé de broyage réactif ce qui conduit au développement des pérovskites avec des surfaces spécifiques élevées. La technique de réduction à température programmée par H₂ et de désorption à température programmée de l'O₂ révèlent la réductibilité élevée, la quantité importante de α-O₂ (oxygènes de surface) et la forte densité de lacunes anioniques de surface de ces pérovskites et en particulier LaMnO₃. Des tests de réactivité des deux types de porteurs d'oxygène dans un simulateur à lit fluidisé de CREC démontrent que ces matériaux sont très réactifs et stables au cours des cycles de réduction-oxydation. La stabilité structurale et morphologique des porteurs après plusieurs cycles d'oxydoréduction est confirmée par diffraction des rayons X et par microscopie électronique à balayage. L'agglomération des particules se produit dans une certaine mesure dans les deux cas de pérovskites après plusieurs cycles de la CLC. Pour contrôler le frittage des particules dans le processus de CLC, le porteur d'oxygène LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ qui a une structure de noyau de la cogue (core-shell) est préparé et testé en simulateur de CREC. La couche mince de silice mésoporeuse englobant le noyau de pérovskite protège les particules contre le frittage. Comparativement à LaMnO₃.₁₅, LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ présente une réactivité plus élevée en méthane ainsi qu'une meilleure stabilité au cours des cycles répétés de redox. Les résultats de DRX, MEB et MET de l'échantillon utilisé confirment la stabilité structurale et morphologique des pérovskite et des coquilles de silice. La cinétique de réduction de LaMnO₃.₁₅ et LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ dans le simulateur de CREC est établie en utilisant deux modèles cinétiques, le modèle de nucléation et de croissance et aussi le modèle de réduction de coeur non réagi. Le modèle de nucléation et de croissance qui utilise le modèle de Avrami-Erofeev avec le mécanisme de nucléation aléatoire (n = 1) correspond mieux aux données expérimentales que le modèle de coeur de réduction non réagi. Ce travail a déterminé que l'énergie d'activation de la réduction de LaMnO₃ par le méthane (23,8 kJ/mol) est inférieure à celle de LaMn₀.₇Fe₀.₃O₃.₁₅@mSiO₂ (57,6 kJ/mol). Ceci indique la difficulté de la réduction de la phase pérovskite de l'échantillon à coeur-coquille (core-shell). Ceci est également confirmé par les résultats de H₂-RTP.
Document Type: Thèse de doctorat
Issue Date: 2012
Open Access Date: 18 April 2018
Permalink: http://hdl.handle.net/20.500.11794/23637
Grantor: Université Laval
Collection:Thèses et mémoires

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