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Élaboration, caractérisation et mise en œuvre d’un catalyseur dans le reformage du biogaz en vue de la production d’hydrogène vert

Authors
  • Phan, Thanh Son
Publication Date
May 07, 2020
Source
HAL-INRIA
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

La production du biogaz ne cesse d’augmenter dans le monde entier. La combustion pour produire de la chaleur et de l’électricité, de même que la production du biométhane pour l’injection au réseau de gaz de ville sont les deux applications industrielles majeures du biogaz. La recherche actuelle sur la valorisation du biogaz se focalise sur la production des produits à haute valeur ajoutée comme l’hydrogène pour la mobilité. C’est l’objectif principal du projet VABHYOGAZ3, financé par ADEME, qui vise à déployer la production d’H2 à partir du biogaz dans le Tarn. Le procédé de reformage du biogaz adopté par les partenaires industriels du projet VABHYOGAZ3 est le vaporeformage, qui est couramment utilisé dans l’industrie pour reformer le gaz naturel, et qui est un procédé fortement énergivore. Cette thèse a pour objectif de développer des catalyseurs performants pour le reformage à sec du méthane (RSB : conversion de CH4 et CO2 en syngas – mélange de CO et H2) et pour le tri-reformage du méthane (Tri-RB : conversion de CH4, CO2, H2O et O2 en syngas). Le but ultime est d’optimiser l’efficacité énergétique du procédé global de la production d’H2 via le reformage du biogaz, qui est indispensable pour rendre ce procédé économiquement viable. En fait, les catalyseurs en RSB et Tri-RB ont souvent le problème de désactivation catalytique en raison du dépôt de coke et du frittage thermique à haute température (> 700°C). L’obtention d’un catalyseur performant sous les conditions sévères de RSB et Tri-RB est crucial pour le déploiement de ces procédés à large échelle industrielle. Dans un premier temps, une étude sur la thermodynamique des procédés globaux de la production d’H2 via le reformage du biogaz a été effectuée. Les bilans de matière et d’énergie de ces procédés ont aussi été réalisés par la simulation sur Aspen Plus. Ensuite, différents catalyseurs à base de nickel supporté sur les supports d’hydroxyapatite (HAP) et d’hydroxyapatite substituée au Mg (Mg_HAP) ont été préparés et caractérisés. Les supports à base d’HAP sont considérés comme des nouveaux matériaux catalytiques qui ont des propriétés appropriées en catalyse hétérogène, en particulier pour des procédés à haute température tels que RSB et Tri-RB. Dans cette étude, les supports HAP ayant les rapports molaires de Ca/P de 1,55, 1,67 et 1,75, et Mg_HAP (substitution de 2,2, 5,8 et 8,5% de Ca par Mg) ont été synthétisés. Ces supports ont été dopés avec 5% en masse de Ni par imprégnation à sec. Ces catalyseurs ont été évalués dans les deux réactions de RSB et Tri-RB dans un réacteur à lit fixe. Une étude paramétrique sur l’influence des conditions opératoires incluant la température, la pression totale, le débit d’alimentation du biogaz, et le rapport molaire de la vapeur d’eau sur méthane (S/C) et d’oxygène sur méthane (O/C), a été effectuée. L’objectif a été de comparer et d’identifier les meilleurs catalyseurs et les meilleurs conditions opératoires. Les bilans de matières ont été établis. Les raisons de la désactivation catalytique ont été mises en évidence. Enfin, la stabilité catalytique des meilleurs catalyseurs a été étudiée pendant 150-300 h de réaction. Les résultats obtenus montrent que les catalyseurs à base de Ni supporté sur HAP ou Mg_HAP sont compétitifs par rapport aux meilleurs catalyseurs identifiés dans la littérature. Ce travail confirme également l’intérêt de l’utilisation des nouveaux supports à base d’HAP dans la catalyse hétérogène et en particulier dans les procédés à haute température.

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