Oxycombustion

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Un procédé d'oxycombustion est une combustion où l'on utilise directement du dioxygène (O2) comme comburant plutôt que simplement de l'air.

En utilisant du dioxygène pur, la température de combustion augmente significativement, ainsi on procède parfois à un recyclage partiel du dioxyde de carbone (CO2) produit. On obtient ainsi un air de synthèse (O2-CO2) et on abaisse la température de combustion, sans changer la composition des fumées. Ce procédé permet d'augmenter le rendement, mais surtout de produire des fumées très riches en dioxyde de carbone (diminution considérable de la production d'oxydes d'azote (NOx) par exemple). Il est à l'étude pour des projets pilotes de captage de CO2, car le CO2 produit est déjà presque pur, son traitement devient donc plus facile. Un projet pilote, visant à séquestrer le CO2 produit, a par exemple été lancé en France à Lacq.

Application au captage du dioxyde de carbone[modifier | modifier le code]

Introduction[modifier | modifier le code]

Dans la composition des combustibles fossiles, on trouve essentiellement du carbone (C), de l'hydrogène (H), ainsi que, en plus faibles proportions, de l'oxygène (O), de l'azote (N) et du soufre (S).
Lorsque ces combustibles sont brûlés dans l'air composé de diazote (N2) pour environ 79 % et de dioxygène pour environ 21 %, ce dernier réagit avec les composants du combustible pour donner du dioxyde de carbone, de l'eau (H2O) sous forme de vapeur, du dioxyde de soufre (SO2) et des oxydes d'azote. Le diazote de l'air ne participe pas à la réaction (à ceci près qu'il peut être partiellement dissocié à haute température et donner également des NOx) et se retrouve dans les fumées de combustion. Celles-ci sont donc composées principalement de diazote, de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, les autres composants n'étant présents qu'en proportion plus réduite.
Ces derniers, polluants notables, peuvent être éliminés par réaction chimique : le dioxyde de soufre par réaction avec du calcaire ou de la chaux, donnant alors du sulfate de calcium (CaSO4) ; les NOx peuvent être réduits par réaction avec de l'ammoniaque. L'élimination par voie chimique du dioxyde de carbone est plus difficile. Or ce gaz est un gaz à effet de serre et est considéré comme le principal contributeur au réchauffement climatique.
Parmi les techniques explorées pour extraire des fumées de combustion le dioxyde de carbone, l'oxycombustion semble prometteuse.

Principe[modifier | modifier le code]

Les fumées de combustion (dans l'air) sont composées de diazote, de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone ; il est aisé d'éliminer la vapeur d'eau en condensant les fumées et en recueillant l'eau sous forme liquide. La difficulté principale concerne la séparation de l'azote et du dioxyde de carbone. L'oxycombustion, c'est-à-dire en utilisant du dioxygène pur au lieu d'air, permet de n'avoir que deux composants principaux dans les fumées : le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. Il n'y a plus de diazote dans les fumées. Une fois l'eau éliminée par condensation, il ne reste plus que du dioxyde de carbone.

Mise en œuvre[modifier | modifier le code]

La combustion dans le dioxygène pur augmente considérablement les températures de flamme, et les équipements dans lesquels l'oxycombustion serait utilisée (fours, foyers de chaudière, etc.) ne supporteraient pas de telles températures. C'est pourquoi on utilise du dioxyde de carbone recyclé comme ballast pour remplacer le diazote de l'air.
En théorie, si on brûle le combustible dans un « air » composé de 21 % de dioxygène et de 79 % de dioxyde de carbone, on retrouve des températures semblables à celles d'une combustion à l'air. En fait, on n'a pas besoin de respecter scrupuleusement cette proportion (21 % / 79 %), d'autant plus que le diazote et le dioxyde de carbone n'ont pas les mêmes caractéristiques physiques (masse volumique, émissivité, etc.). En pratique, des expériences sont en cours pour optimiser cette proportion.
L'installation d'oxycombustion comprend donc :

  • une unité de séparation d'air (produisant le dioxygène nécessaire et du diazote) ;
  • une installation de combustion (four, chaudière, etc.) rejetant du CO2 et de la vapeur d'eau ;
  • un ventilateur de recyclage renvoyant vers le(s) brûleur(s) une partie des fumées (CO2 + H2O) qui sera mélangée avec le dioxygène venant de l'unité de séparation d'air, pour constituer le comburant ;
  • un condenseur permettant d'éliminer la vapeur d'eau.

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Le principal inconvénient de cette technique vient de l'unité de séparation d'air. On déplace en fait le problème de la séparation du diazote et du dioxyde de carbone composant les fumées, vers celui de la séparation du diazote et du dioxygène composant l'air.
Certes, cette dernière technique est bien au point et est appliquée industriellement depuis très longtemps : il s'agit d'une séparation cryogénique par distillation fractionnée. Mais cette technique est très consommatrice en énergie.
Or le captage du dioxyde de carbone intéresse essentiellement les centrales thermiques productrices d'électricité, la génération d'électricité étant de loin le premier secteur mondial émetteur de dioxyde de carbone. L'utilisation de l'oxycombustion fait chuter de 10 à 15 points le rendement net d'une centrale électrique, si l'on tient compte de la puissance absorbée pour faire fonctionner l'unité de séparation d'air.
Il faut noter toutefois que toutes les autres techniques expérimentées pour capter le dioxyde de carbone conduisent aux mêmes dégradations de rendement.