Guillaume MOUGINFabrice DEL CORSO

AIR LIQUIDE

Projet OXYBAC

Le projet OXYBAC

Production d'OXYgène à BAsse Consommation d'énergie dédiée à l'oxycombustion

Partenaires : • Organismes publics:

– ARMINES – CEP (Mines-Paristech)

Institut PPRIME (ENSMA, Poitiers)

LGC (INPT/ENSIACET, Toulouse)

Entreprises privées :– Air Liquide

CIAT

Date de début du projet : Décembre 2007

Date de fin du projet : Mai 2012

Budget total : 1423 k€

Aide accordée : 789 k€

FCHH

Technologies for Clean Power Production

Partial OxidationGasificationReforming

Post combustion capture

Example: AminesN2/CO2 separation

Transport

Shift CO+H2O<>CO2+H2

+ Rectisol

H2 Gas Turbine

Pre-combustion/IGCC

Oxy-combustion

Post-combustion

Storage

CO2 capture units1

2

3

Air Boiler

Gasifier (IGCC)C+1/2O2<>CO

Oxy-boilerC+O2<>CO2

Cryogenic Purification

(CPU)

Compression or liquefaction

Fossil fuels

Fossil fuels

(e.g. Coal)

1

2

3O2

Water, inert gasesSulphurAsh

Coal

CO2 transport & storage

Required bricks for CCS compared

to reference plant without CCSAIR

Oxy-Combustion for CCS on coal fired boilers

steam turbine power generator

steam

water (H2O)

Boiler

O2

CO2

Mixer

ESP* FGD*

CO2 recycle

ASU

CO2 cryogenic purification

unit

*ESP: Electro-Static Precipitation. FGD: Flue Gas Desulphurization

Principes de la colonne diabatique

1- Schéma fonctionnel d’une ASU

AIRAtmosphérique

COMPRESSION

EPURATION

Echange

de Chaleur

DISTILLATION

Production

de froid

Produits gazeux

Produits Liquides

Principes de la Colonne diabatique

2- La double colonne

Oxygène liquide

Azote gazeux haute pression

Azote liquide moyenne pression

Colonne BP

Colonne MP

vapo-condenseur

Oxygène gazeux

Liquide 2

Liquide 1

Azote résiduaire basse pression

Air Gazeux

Oxygène gazeux

Echangeur

Azote gazeux

Azote liquide

Oxygène liquide

5.4 bar

1.4 bar

Source principale de la consommation d’énergie (compression de l’air 200 à 250 kw.h/tonne d’oxygène)

Principes de la colonne diabatique

3- Intérêt

BP

MP

Transfert de chaleur

Température

Hau

teur

Principes de la colonne diabatique

3- Intérêt

BP

MP

Transfert de chaleur

∆∆∆∆T Température

Hau

teur

Principes de la colonne diabatique

3- Intérêt

BP

MP

Transfert de chaleur

Pression de la colonne MP baissée à 3.5 bar

Température

Hau

teur

• Explorer une voie de rupture pour la production

d’oxygène pour l’oxycombustion

– Conception, fabrication et test d’un prototype de colonne

de distillation diabatique

• Développer les méthodologies pour caractériser les

écoulements de films liquides cisaillés par un gaz

avec transfert de chaleur et de matière

– Montage d’un banc expérimental

– Développement d’un code de simulation numériqueFCHH

Objectifs et positionnement du projet

Défis scientifiques et technologiques

• Améliorer la connaissance au niveau des écoulements diphasiques à film liquide tels que ceux rencontrés dans les colonnes à distiller diabatiques– Le couplage des phénomènes de transfert de chaleur et de transfert

de matière apporte une complexité supplémentaire et réduit les degrés de liberté. La précision requise pour l’industrialisation est donc supérieure à celle requise pour les équipements faisant uniquement du transfert de chaleur ou du transfert de matière.

• Disposer de méthodes et d’outils de simulation et dimensionnements précises de colonnes à distiller diabatiques– La taille très importante des équipements requises pour la production

d’oxygène pour Oxycombustion rend très pénalisantes les marges de dimensionnement.

• Fabrication et le test d’une maquette à l’échelle 1/100e permettant à un coût raisonnable d’évaluer une méthode de fabrication et d’exploitation industrielle d’une technologie adaptée de colonne diabatique

Prototype de colonne diabatique

Solution retenue

• Faisceau tubulaire

– Distillation BP à l’intérieur

des tubes

– Distillation MP à l’extérieur

• Point critique : engorgement

– Solution de distribution liquide

proposée

• Influence de la texture des

tubes sur le transfert de

chaleur

Faisceau tubulaireInjection

liquide

Plaques support

Boite d’extrémité

Prototype de colonne diabatique

Etat d’avancement

Cahier des charges

Code de dimension-nement

Dimension-nement

Dossier de conception

Fabrication

Dossier de modification

Réalisation des modifications

Réalisationdes tests

Etat de l’art

Banc d’essai des films cisaillés

• Mesure de type PLIF :

– Ajout de fluorescéine dans l’eau

– Eclairement du film liquide à l’aide

d’une lampe UV

– Mesure de l’intensité de

fluorescence à l’aide d’une caméra

rapide

– Avancement :

– Fait : état de l’art et étude de

similitude

– Fait : conception et montage de la

manip

– Fait : calibration du dispositif de

mesure

– Fait : campagne de mesure

Code de simulation numérique

• Fait : état de l’art, développement du modèle et programmation du code

– Film mince en paroi

– Surfaces courbes

– Couplage avec la phase vapeur turbulente

• Fait : tests de validation

– Instabilité d’un film plan, dynamique ondulatoire

– Effet des surfaces ondulées

– Effet d’obstacles ponctuels

• Perspectives :

– Prise en compte du transfert de masse (hors projet)

– Comparaison avec les mesures du LGC

Bilan provisoire

• 9 rapports internes partagés

• 2 codes de calcul

• 5 publications

• 1 présentation en congrès

• 2 thèses soutenues

• Un prototype en cours de fabrication

• Perspectives suite aux essais : – Evaluation économique incluant CAPEX

– Scale up de la technologie

– Dissémination de la technologie pour d’autres procédés de distillation ou d’absorption

Nouveau design d’ASU pour oxy-combustion

30 MWth

Example of CO2 purification development

roadmap

2009 2011 2015

100 MWth 3000 tpd CPU* Design for 300 MWth Demonstration Plant

* CPU: CO2 purification unit

Lacq

Callide

1ère centrale électrique de grande taille à oxycombustion, à Meredosia (Illinois)Programme DOE

Merci de votre

attention