REDUCTION EN BOUCLE CHIMIQUE

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un solide porteur d'oxygène, sa préparation et son utilisation dans un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique sur masse active, communément appelé « Chemical Looping » selon la terminologie anglo-saxonne. En particulier, le nouveau type de solide porteur d'oxygène selon l'invention pouvant être utilisé dans un procédé de combustion en boucle chimique (Chemical Looping Combustion). Contexte général

Les procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique sur masse active sont connus dans le domaine de la production d'énergie, des turbines à gaz, des chaudières et des fours, notamment pour l'industrie pétrolière, verrière et cimentière.

En particulier, la production d'électricité, de chaleur, d'hydrogène ou de vapeur peuvent être réalisées par ce type de procédés, typiquement le procédé CLC, mettant en œuvre des réactions d'oxydo-réduction d'une masse active, dite masse d'oxydo-réduction, classiquement un oxyde métallique, pour produire un gaz chaud à partir d'un combustible, par exemple le gaz naturel, le monoxyde de carbone CO, l'hydrogène H ₂ , les charbons ou les résidus pétroliers, un mélange d'hydrocarbures, et isoler le dioxyde de carbone C0 ₂ produit. Il est alors envisageable de stocker le CO ₂ capté dans des formations géologiques, ou de l'utiliser comme réactif dans d'autres procédés, ou encore de l'injecter dans les puits de pétrole afin d'accroître la quantité d'hydrocarbures extraite des gisements (récupération assistée du pétrole EOR et du gaz EGR, pour « Enhanced Oil Recovery » et « Enhanced Gas Recovery » en anglais).

Dans un tel procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique sur masse active, une première réaction d'oxydation de la masse active avec de l'air ou un autre gaz oxydant, jouant le rôle de comburant, permet, du fait du caractère exothermique de l'oxydation, d'obtenir un gaz chaud dont l'énergie peut ensuite être exploitée. Lorsque le gaz oxydant est la vapeur d'eau, l'oxydation de la masse active permet également de produire un effluent gazeux riche en H ₂ .

Une seconde réaction de réduction de la masse active oxydée à l'aide d'un gaz, d'un liquide ou d'un solide réducteur (charge hydrocarbonée) permet ensuite d'obtenir une masse active réutilisable ainsi qu'un mélange gazeux comprenant essentiellement du C0 ₂ et de l'eau, voire du gaz de synthèse contenant du CO et de l'H ₂ , selon les conditions opérées lors de l'étape de réduction.

FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) Dans un procédé CLC, l'énergie peut être produite sous la forme de vapeur ou d'électricité par exemple. La chaleur de combustion de la charge hydrocarbonée est similaire à celle rencontrée dans la combustion classique. Celle-ci correspond à la somme des chaleurs de réduction et d'oxydation dans la boucle chimique. La chaleur est généralement extraite par des échangeurs situés à l'intérieur, en paroi ou en appendice des réacteurs fuel et/ou air, sur les lignes de fumées, ou sur les lignes de transfert de la masse active.

Un intérêt majeur de ces procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique sur masse active est alors de permettre d'isoler facilement le C0 ₂ (ou le gaz de synthèse) contenu dans le mélange gazeux dépourvu d'oxygène et d'azote constituant l'effluent issu du réacteur de réduction. Un autre avantage consiste en la production d'un flux d'azote N ₂ (et d'argon) ne contenant pratiquement plus d'oxygène, et correspondant à l'effluent issu du réacteur d'oxydation, lorsque l'air est utilisé comme gaz oxydant.

Dans un contexte d'une demande énergétique mondiale croissante, le procédé CLC fournit donc une solution attractive de captage du C0 ₂ en vue de sa séquestration ou de sa valorisation pour d'autres procédés, afin de limiter l'émission de gaz à effet de serre préjudiciable à l'environnement.

Le brevet US 5 447 024 décrit par exemple un procédé CLC comprenant un premier réacteur de réduction d'une masse active à l'aide d'un gaz réducteur et un second réacteur d'oxydation permettant de restaurer la masse active dans son état oxydé par une réaction d'oxydation avec de l'air humide. La technologie du lit fluidisé circulant est utilisée pour permettre le passage continu de la masse active du réacteur de réduction au réacteur d'oxydation et inversement.

La demande de brevet WO 2006/123925 décrit une autre mise en œuvre du procédé CLC utilisant un ou plusieurs réacteurs à lit fixe contenant la masse active, les cycles redox étant réalisés par permutation des gaz afin de réaliser successivement les réactions d'oxydation et de réduction de la masse active.

La masse active, passant alternativement de sa forme oxydée à sa forme réduite et inversement, décrit un cycle d'oxydo-réduction.

Il convient de noter que, de manière générale, les termes oxydation et réduction sont utilisés en relation avec l'état respectivement oxydé ou réduit de la masse active. Le réacteur d'oxydation est celui dans lequel la masse active est oxydée et le réacteur de réduction est le réacteur dans lequel la masse active est réduite. Ainsi, dans le réacteur de réduction, la masse active, généralement un oxyde métallique (M _x O _y ), est tout d'abord réduite à l'état M _x O _y- 2n-m/2, par l'intermédiaire d'un hydrocarbure C _n H _m , qui est corrélativement oxydé en C0 ₂ et H ₂ 0, selon la réaction (1 ), ou éventuellement en mélange CO + H ₂ selon la nature de la masse active et les proportions utilisées.

C _n H _m + M _x O _y -» n C0 ₂ + m/2 H ₂ 0 + M _x O _y-2n - _m/2 (1 ) Dans le réacteur d'oxydation, la masse active est restaurée à son état oxydé (M _x O _y ) au contact de l'air selon la réaction (2), avant de retourner vers le premier réacteur.

M _x O _y-2n - _m /2 + (n+m/4) 0 ₂ -» M _x O _y (2) Dans le cas où l'oxydation de la masse active est réalisée par la vapeur d'eau, un flux d'hydrogène est obtenu en sortie du réacteur d'oxydation (réaction (3)).

M _x O _y-2n -m/2 + (2n+m/2) H ₂ 0 -» M _x O _y + (2n+m/2) H ₂ (3) Dans les équations ci-dessus, M représente un métal.

La masse active a un rôle de transporteur d'oxygène dans le procédé d'oxydo- réduction en boucle chimique. On désigne ainsi communément en tant que solide porteur d'oxygène le solide comportant la masse active, typiquement comportant le ou les oxydes métalliques susceptibles d'échanger de l'oxygène dans les conditions redox du procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique

Le solide porteur d'oxygène peut en outre comprendre un liant ou un support en association avec la masse active, notamment pour assurer une bonne réversibilité des réactions d'oxydation et de réduction, et améliorer la résistance mécanique des particules. En effet, les masses actives, choisies par exemple parmi les couples redox du cuivre, du nickel, du fer, du manganèse et/ou du cobalt, ne sont généralement pas utilisées pures car les cycles d'oxydation/réduction successifs à haute température entraînent une diminution importante et rapide de la capacité de transfert d'oxygène, due au frittage des particules. Ainsi, dans le brevet US 5 447 024, le solide porteur d'oxygène comporte un couple oxydo-réducteur NiO/Ni en tant que masse active, associée à un liant YSZ qui est de la zircone stabilisée par de l'yttrium, également appelée zircone yttriée. De nombreux types de liants et supports, en plus de la zircone yttriée YSZ, ont été étudiés dans la littérature, afin d'augmenter la résistance mécanique des particules à un coût moins élevé que l'YSZ. Parmi ceux-ci, on peut citer l'alumine, les spinelles d'aluminate métallique, le dioxyde de titane, la silice, la zircone, la cérine, le kaolin, la bentonite, etc. L'efficacité du procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique dépend principalement des propriétés physico-chimiques du solide porteur d'oxygène. Outre la réactivité de la masse active mise en jeu et la capacité de transfert d'oxygène du solide porteur d'oxygène (masse active + liant/support), qui influent sur le dimensionnement des réacteurs et, dans le cas de la technologie en lit fluidisé circulant, sur les taux de circulation des particules, la durée de vie des particules dans le procédé a un impact prépondérant sur le coût d'exploitation du procédé, particulièrement dans le cas du procédé en lit fluidisé circulant.

En effet, dans le cas du procédé en lit fluidisé circulant, le taux d'attrition des particules impose de compenser la perte de solide porteur d'oxygène sous forme de fines, typiquement des particules du solide porteur d'oxygène de diamètre inférieur à 40 μηη, par du solide porteur d'oxygène neuf. Le taux de renouvellement du solide porteur d'oxygène dépend donc fortement de la résistance mécanique des particules ainsi que de leur stabilité chimique dans les conditions du procédé, qui inclut de nombreux cycles d'oxydation/réduction successifs.

D'une manière générale, les performances des solides porteurs d'oxygène rapportées dans la littérature sont satisfaisantes en termes de capacité de transfert d'oxygène et de réactivité avec les différents hydrocarbures testés (Adanez,J., Abad,A., Garcia-Labiano,F., Gayan,P. & de Diego,L.F., "Progress in Chemical Looping Combustion and Reforming technologies", Progress in Energy and Combustion Science, 38(2), (2012) 215-282). Toutefois, dans la plupart des publications, une durée de test trop courte et/ou l'absence de caractérisation approfondie des particules après test ne permettent pas de conclure quant à la durée de vie des particules dans le procédé CLC, bien que certains auteurs annoncent des durées de vie importantes. Quelques études récentes mettent en évidence la problématique de la durée de vie des particules liée aux nombreux cycles redox subis par les particules dans le procédé CLC.

Par exemple, la problématique de la durée de vie des particules d'ilménite (minerai FeTi0 ₃ ) a été récemment mise en évidence par P. Knutsson et C. Linderholm ("Characterization of llmenite used as Oxygen Carrier in a 100 kW Chemical-Looping Combustor for Solid fuels", 3rd international Conférence on Chemical Looping, September 9- 1 1 , 2014, Gôteborg , Sweden). Après un test de longue durée dans un pilote en lit fluidisé circulant de 100kWth, la caractérisation par MEB des particules vieillies montre qu'une forte porosité s'est développée au sein des particules, qui aboutit à leur désintégration sous forme de fines qui sont éliminées dans les cyclones de séparation gaz/solide. La porosité des particules du minerai d'ilménite augmente fortement avec les cycles redox et aboutit à leur pulvérisation, remettant potentiellement en cause l'adéquation de ce minerai au procédé, alors que les premières études sur l'utilisation de l'ilménite concluaient à sa bonne adéquation au procédé CLC. L'augmentation de porosité observée par la caractérisation minutieuse des particules après test est concomitante de la migration des ions ferreux et/ou ferriques par diffusion au sein des particules. Selon les auteurs, une ségrégation du fer au sein des particules précède sa migration vers la surface, créant la porosité qui aboutit à la désagrégation des particules sous forme de fines. L'apparition de porosité constitue le mécanisme principal de formation de particules fines au cours du procédé, limitant considérablement la durée de vie des particules, et donc l'intérêt potentiel du minerai pour l'application CLC. En effet, la durée de vie estimée des particules d'ilménite est de l'ordre de 200 heures seulement (« Emerging C0 ₂ capture Systems », J.C. Abanades, B. Arias, A. Lyngfelt, T. Mattisson, D.E. Wiley, H. Li, M.T. Ho, E. Mangano, S. Brandani, Int. J. Greenhouse Gas Control 40 (2015), 126). Le phénomène d'attrition du solide porteur d'oxygène est ainsi principalement dû à une évolution morphologique liée aux cycles redox consécutifs subis par les particules plus qu'aux chocs sur les parois et entre particules, habituellement considérés comme source d'attrition principale dans les procédés en lit fluidisé.

Wei et al. ("Continuous Opération of a 10 kWth Chemical Looping Integrated Fluidized Bed Reactor for Gasifying Biomass Using an Iron-Based Oxygen Carrier". Energy Fuels 29, 233, 2015) mentionnent également la conversion de particules synthétiques de Fe ₂ 0 ₃ /AI ₂ 0 ₃ (70/30) en petits grains (i.e. pulvérisation des particules en fines) après seulement 60h de combustion en lit fluidisé circulant. L.S. Fan et al. ("Chemical-Looping Technology Platform". AIChE J. 61 , 2, 2015) affirment que l'absence de démonstration du procédé CLC à une échelle industrielle est liée à l'inadéquation des solides porteurs d'oxygène en termes de réactivité, de recyclabilité, de capacité de transfert d'oxygène, de résistance mécanique et de résistance à l'attrition. Selon ces auteurs, les premières études sur les solides porteurs d'oxygène n'ont pas réalisé l'importance des mécanismes de migration cationique et anionique au sein des particules, qui entraînent des ségrégations de phase, l'apparition de cavités ou de micropores, l'agglomération, le frittage, etc.

La demande de brevet WO 2012/155059 divulgue l'utilisation de solides porteurs d'oxygène constitués d'une masse active (20 à 70% poids), d'un matériau support primaire de type céramique ou argile (5 à 70% poids), et d'un matériau support secondaire (1 à 35% poids), également de type céramique ou argile. Une stabilité mécanique améliorée liée au contrôle de l'expansion volumique est avancée pour ces solides porteurs d'oxygène. Il est expliqué qu'un mouvement de diffusion des ions du fer vers l'extérieur des particules entraîne l'expansion volumique des particules, ce qui aboutit à une fragilisation des particules. Dans le solide selon WO 2012/155059, le matériau support primaire permettrait de disperser la masse active métallique et empêcherait son agglomération, préservant l'activité redox, tandis que le matériau support secondaire servirait à réduire la vitesse d'expansion volumique en formant une phase solide stabilisante qui empêcherait la migration du fer vers la surface.

Les nombreuses études portant sur un oxyde métallique (masse active généralement à base d'oxyde de Cu, Ni, Co, Fe et/ou Mn) sur un support concluent à l'adéquation de la plupart des formulations testées au procédé CLC.

Toutefois, Forero et al. (C.R. Forero, P. Gayân, F. Garcia-Labiano, L.F. de Diego, A. Abad, J. Adânez, Int. J. Greenhouse Gas Control 5 (201 1 ) 659-667) rapportent une perte d'oxyde de cuivre importante, probablement imputable à la migration de la phase active vers l'extérieur des particules au cours des cycles redox. Le cuivre en surface est ensuite éliminé dans les fines par attrition. En outre, la porosité des particules de CuO/AI ₂ 0 ₃ augmente avec le nombre de cycles, et la matrice aluminique se fissure peu à peu, aboutissant à la formation de particules fines. Adanez-Rubio et al. (Energy Fuels 2013 (27) 3918) rapportent ainsi que la densité remplie tassée de lots de particules à base de CuO imprégné sur différents supports (Ti0 ₂ , Si0 ₂ , MgAI ₂ 0 ₄ ) diminue de manière notable, ce qui peut être attribué à une augmentation significative de la porosité des particules et signifie que la durée de vie de ces particules est limitée. La migration du métal avec le nombre de cycles est également rencontrée avec les particules Fe ₂ 0 ₃ /AI ₂ 0 ₃ , tel que rapporté par L.S. Fan et al. ("lonic diffusion in the oxidation of iron - effect of support and its implications to chemical looping applications". Energy Environ. Sci., 4, 876, 201 1 ).

Lyngfelt et al. ont réalisé un test de 1000h avec des particules à base de nickel (40% NiO/60% NiAI ₂ 0 ₄ ) dans une installation en lit fluidisé circulant d'une puissance de 10kWth (Linderholm,C, Mattisson,T. & Lyngfelt,A., "Long-term integrity testing of spray-dried particles in a 10-kW chemical-looping combustor using natural gas as fuel", Fuel, 88(1 1 ), (2009) 2083-2096). Les auteurs concluent à une durée de vie des particules de l'ordre de 33000h, mais une assez forte proportion d'agglomérats est observée à la fin du test et une partie du solide a adhéré aux parois du réacteur. La présence de nickel métallique à la surface des particules, due à la migration du nickel vers l'extérieur, est probablement à l'origine de la formation des agglomérats observés (Jerndal,E., Mattisson,T., ThijsJ., Snijkers,F. & Lyngfelt,A., "Investigation of NiO/NiAI ₂ 0 ₄ oxygen carriers for chemical-looping combustion produced by spray-drying", International Journal of Greenhouse Gas Control, 4, (2010) 23). De tels agglomérats représentent un risque important d'arrêt accidentel du procédé CLC. En outre, la caractérisation des particules vieillies est insuffisante pour réellement conclure à l'intérêt de ce solide pour le CLC. Des tests en lit fluidisé batch sur des particules d'un porteur similaire, effectués par les demanderesses, montrent une importante migration du nickel vers la périphérie des particules et la formation de particules fines (0,1 à 5 μηη en taille) constituées essentiellement de nickel sur la surface des grosses particules. Les particules testées sont initialement purement mésoporeuses. La recherche d'un solide porteur d'oxygène performant, en termes de capacité de transfert d'oxygène, de réactivité avec les différentes charges hydrocarbonées susceptibles d'être traitées, et de résistance mécanique, reste donc un objectif primordial pour le développement des procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique, tel que le CLC. Objectifs et résumé de l'invention

La présente invention vise à surmonter les problèmes de l'art antérieur exposés ci- dessus, et vise de manière générale à fournir un solide porteur d'oxygène pour un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique qui présente une durée de vie importante lors de son utilisation dans le procédé, pour notamment diminuer les coûts d'investissement et/ou d'opération pour de tels procédés.

Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un solide porteur d'oxygène sous forme de particules pour un procédé de combustion d'une charge hydrocarbonée par oxydo- réduction en boucle chimique, comportant :

- une masse active d'oxydo-réduction constituant entre 5% et 75% en poids dudit solide porteur d'oxygène, ladite masse active d'oxydo-réduction comportant un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques et étant susceptible de transporter de l'oxygène dans le procédé de combustion par oxydo-réduction en boucle chimique ;

- une matrice en céramique au sein de laquelle est dispersée ladite masse active d'oxydo-réduction, ladite matrice en céramique constituant entre 25% et 95% poids dudit solide porteur d'oxygène, et ladite matrice en céramique comportant 100% poids d'au moins un oxyde ayant une température de fusion supérieure à 1500°C;

- une porosité telle que :

- le volume poreux total du solide porteur d'oxygène, mesuré par porosimétrie au mercure, est compris entre 0,05 et 1 ,2 ml/g,

- le volume poreux des macropores constitue au moins 10% du volume poreux total du solide porteur d'oxygène;

- la distribution en taille des macropores au sein du solide porteur d'oxygène, mesurée par porosimétrie au mercure, est comprise entre 50 nm et 7 μηη.

De préférence, le volume poreux total du solide porteur d'oxygène est compris entre 0, 1 et 0,85 ml/g.

Le volume poreux des macropores constitue avantageusement au moins 10% du volume poreux total du solide porteur d'oxygène.

De préférence, la distribution en taille des macropores au sein du solide porteur d'oxygène est comprise entre 50 nm et 3 μηη.

De préférence, la masse active d'oxydo-réduction comporte au moins un oxyde métallique compris dans la liste constituée par les oxydes de Fe, Cu, Ni, Mn et Co, une pérovskite présentant des propriétés redox, de préférence une pérovskite de formule CaMn0 ₃ , un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox, de préférence un spinelle d'aluminate métallique de formule CuAI ₂ 0 ₄ ou un cuprospinelle de formule CuFe ₂ 0 ₄ . Selon un mode de réalisation de l'invention, la masse active d'oxydo-réduction comporte au moins un oxyde de cuivre.

Avantageusement, ledit au moins un oxyde de la matrice en céramique a une température de fusion supérieure à 1700°C, et de préférence supérieure à 2000°C.

Ledit au moins un oxyde de la matrice en céramique peut être choisi dans la liste constituée par l'aluminate de calcium de formule CaAI ₂ 0 ₄ , la silice de formule Si0 ₂ , le dioxyde de titane de formule Ti0 ₂ , la perovskite de formule CaTi0 ₃ , l'alumine de formule Al ₂ 0 ₃ , la zircone de formule Zr0 ₂ , le dioxyde d'yttrium de formule Y ₂ 0 ₃ , le zirconate de baryum de formule BaZr0 ₃ , l'aluminate de magnésium de formule MgAI ₂ 0 ₄ , le silicate de magnésium de formule MgSi ₂ 0 ₄ , l'oxyde de lanthane de formule La ₂ 0 ₃ .

Avantageusement, ledit au moins un oxyde de la matrice en céramique est de la silice, de l'alumine, ou un mélange d'alumine et de silice, et de préférence est de l'alumine.

De préférence, les particules ont une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 μηη et 600 μηη.

Selon un deuxième aspect, l'invention porte sur un procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 1 1 , comportant les étapes suivantes :

(A) la préparation d'une suspension aqueuse comportant un oxyde ou un mélange d'oxydes précurseurs de la matrice en céramique ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, de préférence supérieure à 1700°C, et encore plus préférentiellement supérieure à 2000°C, ledit ou lesdits oxydes précurseurs formant des grains de taille comprise entre 0,1 μηη et 20 μηη, de préférence comprise entre 0,5 μηη et 5 μηη, et plus préférentiellement comprise entre 1 μηη et 3 μηη ;

(B) le séchage par atomisation de ladite suspension obtenue à l'étape (A) pour former des particules, ledit séchage par atomisation comportant la pulvérisation de la suspension dans une chambre de séchage à l'aide de moyens de pulvérisation pour former des gouttelettes, et la mise en contact simultanée desdites gouttelettes avec un gaz vecteur chaud, de préférence de l'air ou de l'azote, porté à une température comprise entre 200°C et 350°C ;

(C) la calcination des particules issues du séchage par atomisation à l'étape (B), ladite calcination étant effectuée sous air et à une température comprise entre 400°C et 1400°C ; (D) le criblage optionnel des particules calcinées issues de l'étape (C), de par séparation au moyen d'un cyclone ;

(E) l'intégration d'une masse active oxydo-réductrice selon une étape e1 ) ou une étape e2) pour produire le solide porteur d'oxygène sous forme de particules :

e1 ) (i) imprégnation des particules issues de l'étape (C) par un composé précurseur d'une masse active d'oxydo-réduction, puis (ii) séchage des particules imprégnées suivi (iii) d'une calcination ;

e2) incorporation de la masse active-oxydo-réductrice lors de la préparation de la suspension à l'étape (A).

Selon un mode de réalisation, l'étape e1 ) comporte :

(i) l'imprégnation des particules issues de l'étape (C) avec une solution aqueuse ou organique contenant au moins un composé précurseur soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer ou du manganèse, de préférence avec une solution aqueuse contenant au moins un composé précurseur de la masse active d'oxydo-réduction choisi dans la liste constituée par les nitrates de formules suivantes : Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Ni(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Co(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Fe(N0 ₃ ) ₃ .xH ₂ 0, Mn(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0.

De préférence, l'imprégnation (i) à l'étape e1 ) est réalisée en une ou plusieurs étapes successives, et comprend de préférence des étapes intermédiaires de séchage à une température comprise entre 30°C et 200°C et/ou de calcination à une température comprise entre 200°C et 600°C lorsque l'imprégnation est effectuée en plusieurs étapes successives.

Selon un mode de réalisation, le séchage (ii) à l'étape e1 ) est effectué sous air ou sous atmosphère contrôlée, à une température comprise entre 30°C et 200°C, et préférentiellement sous air à une température comprise entre 100°C et 150°C.

Selon un mode de réalisation, la calcination (iii) à l'étape e1 ) est effectuée sous air à une température de calcination comprise entre 450°C et 1400°C, de préférence entre 600°C et 1000°C, plus préférentiellement entre 700°C et 900°C, et est effectuée pendant une durée de 1 à 24 heures, et de préférence pendant une durée de 5 à 15 heures.

Selon un mode de réalisation, l'étape e2) comporte (j) l'imprégnation des grains du ou desdits oxydes précurseurs la matrice en céramique avec une solution aqueuse ou organique contenant au moins un composé précurseur soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer ou du manganèse, de préférence avec une solution aqueuse contenant au moins un composé précurseur de la masse active d'oxydo-réduction choisi dans la liste constituée par les nitrates de formules suivantes : Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Ni(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Co(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Fe(N0 ₃ ) ₃ .xH ₂ 0, Mn(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, ladite imprégnation étant réalisée avant la mise en suspension desdits grains.

Alternativement, l'étape e2) peut comporter (jj) l'addition d'au moins un précurseur de la masse active d'oxydo-réduction, ledit précurseur étant un composé soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer et/ou du manganèse à la suspension préparée à l'étape (A), et de préférence un composé précurseur de la masse active d'oxydo-réduction choisi dans la liste constituée par les nitrates de formules suivantes : Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Ni(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Co(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Fe(N0 ₃ ) ₃ .xH ₂ 0, Mn(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0.

Alternativement, l'étape e2) peut comporter (jjj) l'addition à la suspension préparée à l'étape (A) de grains d'au moins un oxyde métallique compris dans la liste constituée par les oxydes de Fe, Cu, Ni, Mn et Co, une pérovskite présentant des propriétés redox, de préférence une pérovskite de formule CaMn0 ₃ , un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox, de préférence un spinelle d'aluminate métallique de formule CuAI ₂ 0 ₄ ou de formule CuFe ₂ 0 ₄ , lesdits grains ayant une taille comprise entre 0, 1 μηη et 20 μηη, de préférence comprise entre 0,5 μηη et 5 μηη, et plus préférentiellement comprise entre 1 μηη et 3 μηη, pour former la masse active d'oxydo-réduction du solide porteur d'oxygène.

Selon un mode de réalisation, à l'étape A) on ajoute à la suspension aqueuse au moins un liant destiné à renforcer la cohésion des particules obtenues à l'issue de l'étape (B), et/ou contrôler rhéologie de ladite suspension aqueuse, ledit liant étant un liant organique, de préférence choisi dans la liste constituée par le polyethylene glycol, l'alcool polyvinylique, le polyacrylate, le polyvinylpyrrolidone, ou un liant inorganique, de préférence choisi dans la liste constituée les hydroxydes d'aluminium, la boehmite, la diaspore, le tetraethylorthosilicate, l'acide silicique, les aluminosilicates et les argiles de type kaolin.

Selon un mode de réalisation, à l'étape A) on ajoute à la suspension aqueuse au moins un agent porogène destiné à augmenter la macroporosité des particules du solide porteur d'oxygène.

Selon un mode de réalisation, on recycle à l'étape E) des fines du solide porteur d'oxygène produites au cours de l'utilisation dudit solide porteur d'oxygène dans un procédé de combustion d'une charge hydrocarbonée par oxydo-réduction en boucle chimique.

Selon un troisième aspect, l'invention porte sur un procédé de combustion d'une charge hydrocarbonée par oxydo-réduction en boucle chimique utilisant un solide porteur d'oxygène selon l'invention ou préparé selon le procédé de préparation selon l'invention.

Avantageusement, l'invention porte sur un procédé CLC, de préférence dans lequel le solide porteur d'oxygène circule entre au moins une zone de réduction et une zone d'oxydation opérant toutes les deux en lit fluidisé, la température dans la zone de réduction et dans la zone d'oxydation étant comprise entre 400°C et 1400°C, de préférence comprise entre 600°C et 1 100°C, et plus préférentiellement entre 800°C et 1 100°C. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisations particuliers de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après.

Brève description des figures

Les figures 1A, 1 B, 1 C et 1 D concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 2 (exemple non conforme à l'invention). La figure 1A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène. La figure 1 B est un diagramme représentant la conversion du méthane en fonction des cycles d'oxydo-réduction dans un procédé CLC utilisant le solide porteur d'oxygène. La figure 1 C est un diagramme représentant la distribution de la taille des particules du solide porteur d'oxygène avant et après son utilisation dans un procédé CLC. La figure 1 D est un cliché de microscopie électronique à balayage (MEB) d'une section polie d'un échantillon du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC.

Les figures 2A, 2B, 2C et 2D concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 3 (exemple non conforme à l'invention). La figure 2A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène. La figure 2B est un diagramme représentant la conversion du méthane en fonction des cycles d'oxydo-réduction dans un procédé CLC utilisant le solide porteur d'oxygène. La figure 2C représente en (a) un cliché MEB et en (b) une cartographie de spectrométrie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. La figure 2D est un cliché MEB d'une section polie d'un échantillon du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC .

Les figures 3A, 3B, 3C, 3D et 3E concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 4 (exemple conforme à l'invention). La figure 3A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène avant utilisation dans un procédé CLC. La figure 3B est un cliché MEB en électrons rétrodiffusés sur section polie du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. La figure 3C est un diagramme représentant la conversion du méthane en fonction des cycles d'oxydo-réduction dans un procédé CLC utilisant le solide porteur d'oxygène. La figure 3D est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène après utilisation dans un procédé CLC. La figure 3E représente en (a) et (b) deux clichés MEB d'une section polie d'un échantillon du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC.

Les figures 4A, 4B, 4C, 4D et 4E concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 4 (exemple conforme à l'invention). La figure 4A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène avant utilisation dans un procédé CLC. La figure 4B est un cliché MEB en électrons rétrodiffusés sur section polie du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. La figure 4C est un diagramme représentant la conversion du méthane en fonction des cycles d'oxydo-réduction dans un procédé CLC utilisant le solide porteur d'oxygène. La figure 4D est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène après utilisation dans un procédé CLC. La figure 4E représente en un cliché MEB en électrons rétrodiffusés d'une section polie d'un échantillon du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC.

Description de l'invention

L'objet de l'invention est de proposer un solide porteur d'oxygène pour un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique, tel qu'un procédé CLC, mais également pour d'autres procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique sur masse active tel qu'un procédé de reformage en boucle chimique (CLR en référence à l'expression « Chemical Looping Reforming ) ou un procédé de CLOU (en référence à l'expression « Chemical Looping Oxygen Uncoupling »).

La présente invention concerne également la préparation et l'utilisation du solide porteur d'oxygène dans de tels procédés.

Les procédés CLC font généralement appel à deux réacteurs distincts pour effectuer d'une part dans un réacteur de réduction, la réduction de la masse active au moyen d'un combustible, ou plus généralement d'un gaz, liquide ou solide réducteur. Les effluents du réacteur de réduction contiennent principalement du C0 ₂ et de l'eau, permettant un captage facile du C0 ₂ . D'autre part, dans le réacteur d'oxydation, la restauration de la masse active à son état oxydé par contact avec l'air ou tout autre gaz oxydant permet de générer corrélativement un effluent chaud vecteur d'énergie et un flux d'azote pauvre ou dépourvu d'azote (cas où de l'air est utilisé).

Dans la présente description il est surtout fait référence à l'utilisation du solide porteur d'oxygène dans un procédé CLC en lit fluidisé circulant, mais le solide porteur d'oxygène selon l'invention peut aussi être utilisé dans tout autre type de procédé d'oxydo- réduction en boucle chimique (CLC, CLR, CLOU) en lit fixe, mobile ou bouillonnant, ou encore en réacteur tournant. Le solide porteur d'oxygène

Le porteur d'oxygène comporte :

- une masse active d'oxydo-réduction constituant entre 5% et 75% en poids du solide porteur d'oxygène, de préférence entre 10% et 40% poids, la masse active d'oxydo- réduction comportant un oxyde métallique ou un mélange d'oxydes métalliques et étant susceptible d'échanger de l'oxygène dans les conditions redox dudit procédé d'oxydo- réduction en boucle chimique ;

- une matrice en céramique au sein de laquelle est dispersée la masse active d'oxydo-réduction, la matrice en céramique constituant entre 25% et 95 % poids du solide porteur d'oxygène, de préférence entre 60% et 90% poids, et la matrice en céramique comportant 100% poids d'au moins un oxyde ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, et de préférence ayant une température de fusion supérieure à 1700°C, et encore plus préférentiellement ayant une température de fusion supérieure à 2000°C.

Par une matrice en céramique comportant 100% poids d'au moins un oxyde, on entend que la matrice est essentiellement constituée de cet oxyde (ou mélange d'oxydes), à 1 % poids près.

Outre une matrice en céramique comportant au moins un oxyde ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, et de préférence une température de fusion supérieure à 1700°C, encore plus préférentiellement une température de fusion supérieure à 2000°C, le solide porteur d'oxygène selon l'invention présente une porosité particulière qui, de manière inattendue, permet de limiter le phénomène de migration de la masse active au sein des particules de porteur d'oxygène. Cette texture initiale améliore de manière significative la durée de vie des particules dans le procédé de combustion en boucle chimique et est caractérisée en ce que :

- le volume poreux total du solide porteur d'oxygène Vtot, mesuré par porosimétrie au mercure, est compris entre 0,05 et 1 ,2 ml/g ; - le volume poreux total Vtot ûu solide porteur d'oxygène comprend au moins 10% de macropores. Autrement dit, le volume poreux des macropores constitue au moins 10% du volume poreux total Vtot ûu solide porteur d'oxygène ;

- la distribution en taille des macropores au sein du solide porteur d'oxygène, mesurée par porosimétrie au mercure, est comprise entre 50 nm et 7 μηη.

On rappelle que selon la nomenclature de l'IUPAC, on parle de micropores pour les pores dont la taille est inférieure à 2 nm, de mésopores pour les pores dont la taille est comprise entre 2 et 50 nm, et de macropores pour les pores de taille supérieure à 50 nm.

Par texture initiale on entend la texture avant toute utilisation dans un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique tel que le CLC.

Le volume poreux total du solide est mesuré par porosimétrie au mercure, plus précisément la mesure porte sur le volume de mercure injecté lorsque la pression exercée augmente de 0,22 MPa à 413 MPa.

Le volume poreux total Vtot ûu solide porteur d'oxygène est de préférence compris entre 0, 1 et 0,85 ml/g.

De préférence, le volume poreux total Vtot des particules est constitué pour au moins 40% par des macropores. Autrement dit, le volume poreux des macropores constitue au moins 40% du volume poreux total Vtot ûu solide porteur d'oxygène. Le reste du volume poreux total peut être indifféremment constitué de microporosité ou de mésoporosité dans quelque proportion que ce soit.

La distribution en taille des macropores au sein des particules, mesurée par porosimétrie au mercure, est plus préférentiellement comprise entre 50 nm et 3 μηη, et de manière encore plus préférée comprise entre 200 nm et 1 μηη.

La ou les raisons pour laquelle cette texture macroporeuse initiale du solide porteur d'oxygène minimise la migration de la masse active au sein des particules n'est pas encore expliquée. Sans être liés à une théorie particulière, les inventeurs attribuent ce phénomène, au moins partiellement, au fait que les limitations diffusionnelles, habituellement rapportées pour les particules mésoporeuses selon l'art antérieur, sont largement minimisées du fait de la texture particulièrement ouverte des particules selon l'invention. Les gaz peuvent accéder facilement à la masse active dispersée au sein de la matrice céramique, limitant la mobilité de la masse active due aux gradients de concentration, particulièrement au cours de l'oxydation des particules. Il est en effet connu que les cations métalliques migrent en général à travers la couche d'oxyde primaire formée lors de l'oxydation d'une particule métallique réduite (S. Mrowec, Z. Grzesik, « Oxidation of nickel and transport properties of nickel oxide ». J.Phys.Chem.Solids, 64, 1651 , 2004), car la vitesse de diffusion des cations métalliques dans la couche d'oxyde est plus élevée que celle de l'anion oxygène (O ^2" ). La. matrice _ en céramique.

La matrice en céramique est essentiellement constituée par au moins un oxyde, ou un mélange d'oxydes, ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, de préférence supérieure à 1700°C et plus préférentiellement supérieure à 2000°C, qui est de préférence choisi dans la liste constituée par l'aluminate de calcium CaAI ₂ 0 ₄ , la silice Si0 ₂ , le dioxyde de titane Ti0 ₂ , la perovskite CaTi0 ₃ , l'alumine Al ₂ 0 ₃ , la zircone Zr0 ₂ , le dioxyde d'yttrium Y ₂ 0 ₃ , le zirconate de baryum BaZr0 ₃ , l'aluminate de magnésium MgAI ₂ 0 ₄ , le silicate de magnésium MgSi ₂ 0 ₄ , l'oxyde de lanthane La ₂ 0 ₃ .

L'aluminate de calcium CaAI ₂ 0 ₄ a une température de fusion supérieure à 1500°C, la silice Si0 ₂ , le dioxyde de titane Ti0 ₂ , la perovskite CaTi0 ₃ ont une température de fusion supérieure à 1700°C, et l'alumine Al ₂ 0 ₃ , la zircone Zr0 ₂ , le dioxyde d'yttrium Y ₂ 0 ₃ , le zirconate de baryum BaZr0 ₃ , l'aluminate de magnésium MgAI ₂ 0 ₄ , le silicate de magnésium MgSi ₂ 0 ₄ , et l'oxyde de lanthane La ₂ 0 ₃ ont une température de fusion supérieure à 2000°C.

De préférence, ledit oxyde de la matrice en céramique est de la silice, de l'alumine, ou un mélange d'alumine et de silice.

Dans la présente description le terme d'oxyde couvre un oxyde mixte, c'est-à-dire un solide résultant de la combinaison d'ions oxydes O ^2" avec au moins deux éléments cationiques (par exemple l'aluminate de calcium CaAI ₂ 0 ₄ ou l'aluminate de magnésium MgAI ₂ 0 ₄ ). Par mélange d'oxydes on entend au moins deux composés solides distincts chacun étant un oxyde.

Le ou les oxydes de la matrice céramique présentant une température de fusion élevée, supérieure à 1500°C, leur utilisation est avantageuse dans le cadre des procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique tel que le CLC où la température atteinte par les particules du porteur d'oxygène est plus élevée que celle du gaz de fluidisation, parfois jusqu'à 120°C (Guo, X. Y.; Sun, Y. L.; Li, R.; Yang, F. « Expérimental investigations on température variation and inhomogeneity in a packed bed CLC reactor of large particles and low aspect ratio ». Chem.Eng.Sci. 107, 266, 2014). Plus la température de fusion de l'oxyde ou du mélange d'oxydes constituant la matrice céramique est élevée, plus ladite matrice en céramique est résistante au frittage. En effet, les températures de Huttig (T _H ) et de Tammann (T _T ), considérées comme indicatives de la température à partir de laquelle le frittage d'une phase peut avoir lieu, sont directement proportionnelles à la température de fusion. Elles sont exprimées par les équations semi-empiriques T _H =0,3.T _f et T _T =0,5.T _f (en Kelvin). Lorsque T _H est atteinte, les atomes deviennent mobiles en surface, et lorsque T _T est atteinte, les réseaux cristallins commencent à pouvoir se déplacer (A. Cao, R. Lu, G. Veser. Stabilizing métal nanoparticles for heterogeneous catalysis. PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 12 13499-13510, 2010).

Le tableau 1 ci-dessous répertorie les exemples d'oxydes pouvant composer la matrice en céramique du solide porteur d'oxygène, et indique leur température de fusion « T fusion », de Huttig (T _H ) et de Tammann (T _T ),

Tableau 1 Selon l'invention, la matrice en céramique peut être obtenue à partir du traitement de particules solides obtenues par une technique de séchage par atomisation d'une suspension aqueuse d'oxyde(s) de taille spécifique.

Le solide porteur d'oxygène est obtenu en intégrant la masse active oxydo- réductrice à la matrice céramique, soit dès l'étape de formation de la suspension aqueuse d'oxyde(s) précurseur de la céramique soit ultérieurement par imprégnation de particules de la matrice céramique.

La préparation du solide porteur d'oxygène selon l'invention est détaillée plus loin dans la description.

La.masse active d'Qxyd rédyçtion

Le solide porteur d'oxygène selon l'invention comporte une masse active d'oxydo- réduction qui comprend, et est de préférence constituée par, au moins un oxyde métallique compris dans la liste constituée par les oxydes de Fe, Cu, Ni, Mn et Co, une pérovskite présentant des propriétés redox, de préférence une pérovskite de formule CaMn0 ₃ , un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox, par exemple un spinelle d'aluminate métallique de formule CuAI ₂ 0 ₄ ou de formule CuFe ₂ 0 ₄ . Le spinelle de formule CuFe ₂ 0 ₄ est un cuprospinelle. De préférence, la masse active d'oxydo-réduction comprend au moins un oxyde de cuivre, de préférence de formule CuO, et est plus préférentiellement constituée par au moins un oxyde de cuivre, de préférence de formule CuO.

Selon l'invention, le solide porteur d'oxygène présente avantageusement une masse active dispersée au sein de la matrice céramique, typiquement une distribution initiale de la masse active initiale relativement homogène, et la migration de la masse active au sein des particules du solide porteur d'oxygène est minimisée au cours des cycles redox du procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique, tel que cela est illustré par quelques exemples plus loin dans la description. La masse active oxydo-réductrice est susceptible d'échanger de l'oxygène dans les conditions redox du procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique. La masse active est réduite selon la réaction (1 ) déjà décrite plus haut, lors d'une étape de réduction au contact d'une charge hydrocarbonée, et est oxydée selon la réaction (2) ou (3) déjà décrites plus haut, lors d'une étape d'oxydation au contact d'un gaz oxydant.

La capacité de stockage en oxygène de la masse active oxydo-réductrice est avantageusement comprise, suivant le type de matériau, entre 1 % et 15 % poids. Avantageusement, la quantité d'oxygène effectivement transférée par l'oxyde métallique est comprise entre 1 et 3 % poids, ce qui permet de n'utiliser qu'une fraction de la capacité de transfert d'oxygène. Forme l soJide QO^^^

Le solide porteur d'oxygène selon l'invention est de préférence sous la forme de particules, qui peuvent être fluidisées dans le procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique, notamment être mises en œuvre en lit fluidisé circulant. Il peut s'agir de particules fluidisables (poudre fluidisable, généralement appelé « fluidisable carrier » en anglais) appartenant aux groupes A, B ou C de la classification de Geldart (D. Geldart. « Types of gas fluidization ». Powder Technol. 7(5), 285-292, 1973), et de préférence les particules appartiennent au groupe A ou au groupe B de la classification de Geldart, et de préférence au groupe B de la classification de Geldart.

De manière préférée, les particules du solide porteur d'oxygène ont une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 μηη et 600 μηη, plus préférentiellement une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 80 μηη et 400 μηη, encore plus préférentiellement une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 300 μηη, et encore plus préférentiellement une granulométrie telle que plus de 95% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 300 μηη.

De préférence, les particules du solide porteur d'oxygène ont une densité de grain comprise entre 500 kg/m ³ et 5000 kg/m ³ , de préférence une densité de grain comprise entre 800 kg/m ³ et 4000 kg/m ³ , et encore plus préférentiellement une densité de grain comprise entre 1000 kg/m ³ et 3000 kg/m ³ .

Les particules du solide porteur d'oxygène sont de préférence sensiblement sphériques.

La distribution en taille et la morphologie des particules pour une utilisation dans un autre type de procédé en boucle chimique (CLC, CLR, CLOU) en lit fixe, en lit mobile ou en réacteur tournant sont adaptées au procédé envisagé. Par exemple, dans le cas d'une utilisation du solide porteur d'oxygène dans un procédé mettant en œuvre une technologie de lit fixe ou de réacteur tournant, la taille préférée des particules est supérieure à 400 μηη, afin de minimiser les pertes de charge dans le ou les réacteurs, et la morphologie des particules n'est pas nécessairement sphérique. La morphologie est dépendante du mode de mise en forme, par exemple sous forme d'extrudés, de billes, de monolithes ou de particules de géométrie quelconque obtenues par broyage de plus grosses particules. Dans le cas d'une mise en forme de type monolithe, le solide porteur d'oxygène, sous forme de particules, est déposé sur la surface des canaux de monolithes céramiques par les méthodes d'enduction connues de l'homme de l'art, ou bien le monolithe lui-même est constitué des particules selon l'invention.

La taille des particules peut être mesurée par granulométrie laser.

La distribution en taille des particules du solide porteur d'oxygène est de préférence mesurée à l'aide d'un granulomètre laser, par exemple Malvern Mastersizer 3000, de préférence en voie liquide, et en utilisant la théorie de Fraunhofer. Une telle technique et un tel matériel peuvent également être utilisés pour mesurer la taille d'autres grains comme les grains d'oxydes précurseurs de la matrice céramique.

L'obtention de particules du porteur d'oxygène dans la gamme de taille souhaitée nécessite une étape de mise en forme à partir de grains de plus petite dimension, dont la taille est comprise entre 0, 1 et 20 μηη, préférentiellement entre 0,5 et 5 μηη, et de manière plus préférée entre 1 et 3 μηη. La mise en forme peut être réalisée selon toutes les techniques connues de l'homme de l'art permettant d'obtenir des particules, telles que l'extrusion, le compactage, la granulation humide ou à sec (« wet or dry granulation » en anglais), par exemple l'agglomération sur assiette granulatrice ou tambour granulateur, la lyophilisation (« freeze granulation » en anglais), ou par des techniques de coagulation de gouttes (« oil drop » en anglais), et de préférence selon une technique de séchage par atomisation, d'agglomération sur assiette granulatrice ou tambour granulateur, permettant d'obtenir des particules de forme sphérique.

Une étape de tamisage et/ou de criblage (classification ou séparation par exemple au moyen d'un cyclone) peut être en outre réalisée afin de sélectionner les particules de la granulométrie souhaitée.

Préparation du solide porteur d'oxygène

Le solide porteur d'oxygène peut être préparé selon un procédé comportant les étapes suivantes :

Etape (A) : préparation d'une suspension d'oxyde(s) précurseur(s) d'une matrice céramique

L'étape (A) comporte la préparation d'une suspension aqueuse d'oxyde ou d'un mélange d'oxydes, ladite solution présentant des caractéristiques rhéologiques adéquates pour le pompage et la pulvérisation. Le ou les oxydes forment des grains dont la taille est comprise entre 0,1 μηη et 20 μηη, de préférence comprise entre 0,5 μηη et 5 μηη, et de manière plus préférée comprise entre 1 μηη et 3 μηη. L'oxyde ou le mélange d'oxydes sont les précurseurs de la matrice céramique du solide porteur d'oxygène et ont une température de fusion supérieure à 1500°C, de préférence supérieure à 1700°C, et encore plus préférentiellement supérieure à 2000°C.

Ces composants sont de préférence choisis dans la liste constituée par l'aluminate de calcium de formule CaAI ₂ 0 ₄ , la silice de formule Si0 ₂ , le dioxyde de titane de formule Ti0 ₂ , la perovskite de formule CaTi0 ₃ , l'alumine de formule Al ₂ 0 ₃ , la zircone de formule Zr0 ₂ , le dioxyde d'yttrium de formule Y ₂ 0 ₃ , le zirconate de baryum de formule BaZr0 ₃ , l'aluminate de magnésium de formule MgAI ₂ 0 ₄ , le silicate de magnésium de formule MgSi ₂ 0 ₄ , l'oxyde de lanthane de formule La ₂ 0 ₃ .

Un ou plusieurs liants organique(s) et/ou inorganique(s) peuvent être ajoutés à la suspension afin d'ajuster et de contrôler la rhéologie de la suspension et d'assurer la cohésion des particules qui sont obtenues à l'issue de l'étape de mise en forme, avant la consolidation par calcination dans une étape ultérieure.

Le ou les liants organiques de masse molaire variables peuvent être choisis parmi le polyethylene glycol (PEG), l'alcool polyvinylique (PVA), le polyacrylate (PA), le polyvinyipyrrolidone (PVP), etc. Ils peuvent être ajoutés à hauteur de 0,5 % à 6 % poids par rapport à la masse d'oxyde(s) en suspension.

Le ou les liants inorganiques peuvent être choisis parmi les hydroxydes d'aluminium (bayerite, gibbsite, nordstrandite), la boehmite, la diaspore, le tetraethylorthosilicate, l'acide silicique, les aluminosilicates et argiles de type kaolin, etc. Ils peuvent être ajoutés à hauteur de 5 % à 30 % poids par rapport à la masse d'oxyde(s) en suspension.

Un ou plusieurs agents porogènes destinés à augmenter la macroporosité des particules peuvent également être ajoutés à la suspension. De préférence, lorsque de tels agents sont additionnés à la solution, leur quantité est de préférence inférieure à 25% poids par rapport à la masse d'oxyde(s) en suspension. De tels agents sont typiquement des composés organiques que l'on peut brûler, tel que de l'amidon, de la cellulose, des polymères tels que le polypropylène, le latex, le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA).

Etape (B) : séchage par atomisation

Lors de cette étape, la suspension obtenue à l'étape (A) est séchée par atomisation : on pulvérise la suspension en fines gouttelettes dans une chambre de séchage à l'aide de moyens de pulvérisation, par exemple à l'aide d'une buse de pulvérisation pneumatique (bi-fluide) ou hydraulique (monofluide), et on met simultanément en contact simultanée ces gouttelettes avec un gaz vecteur chaud, de préférence de l'air ou de l'azote, porté à une température comprise entre 200 et 350°C. Le gaz vecteur chaud est introduit avec un flux co-courant (mode plafond) ou un flux mixte (mode fontaine) permettant l'évaporation du solvant et l'obtention de particules sphériques à la granulométrie souhaitée.

Cette étape permet avantageusement la formation de particules de granulométrie désirée. De manière préférée, cette étape est réalisée de manière à produire des particules de granulométrie suivante : plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 et ΘΟΟμηη, de préférence plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 80 μηη et 400 μηη, encore plus préférentiellement plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 300 μηη, et encore plus préférentiellement plus de 95% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 300 μηη.

Une étape de criblage optionnelle (D) ultérieure peut être réalisée afin d'obtenir la granulométrie désirée, décrite plus bas.

Etape (C) : Calcination des particules séchées par atomisation

Les particules issues du séchage par atomisation à l'étape (B) sont calcinées sous air à une température comprise entre 400°C et 1400°C, préférentiellement entre 600°C et 1200°C, et de manière très préférée entre 650 et 900°C. Cette étape de calcination a un impact sur la tenue mécanique des particules.

Il est possible de réaliser une rampe de montée en température comprise entre 1 °C/min et 50°C/min, et de préférence entre 5°C/min et 20°C/min, pour atteindre la température de calcination donnée, notamment lorsque l'intégration de la masse active d'oxydo-réduction au solide porteur d'oxygène est réalisée selon l'étape e2) j) décrite plus bas (imprégnation préalable par le précurseur de la masse active des grains d'oxydes qui sont mis en suspension à l'étape (A)).

Etape (D) : criblage optionnel des particules

Un criblage peut être réalisé à l'issu de l'étape de calcination (C) visant à sélectionner les particules dans une gamme de taille désirée. Le criblage peut être effectué par une séparation des particules au moyen d'un cyclone, ou tout autre moyen de séparation. Etape (E) : intégration de la masse active d'oxydo-réduction

L'étape (E) comporte soit l'étape e1 ), soit l'étape e2). L'étape (E) permet d'associer la masse active oxydo-réductrice à la matrice en céramique pour produire le solide porteur d'oxygène sous forme de particules selon l'invention.

Etape _e1 _ _ mprégnatio^

céramique

Selon cette étape e1 ), les particules calcinées obtenues à l'issue de l'étape (C), et optionnellement criblées à l'issue de l'étape (D), sont (i) imprégnées par une solution aqueuse ou organique contenant au moins un composé précurseur soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer ou du manganèse.

De préférence l'imprégnation est réalisée avec une solution aqueuse contenant au moins un composé précurseur de la masse active d'oxydo-réduction choisi dans la liste constituée par les nitrates de formules suivantes : Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Ni(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Co(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Fe(N0 ₃ ) ₃ .xH ₂ 0, Mn(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0.

Avantageusement, le nitrate de cuivre Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0 est choisi pour réaliser cette imprégnation, afin d'obtenir une masse active oxydo-réductrice d'oxyde(s) de cuivre, par exemple un oxyde de cuivre de formule CuO, pour former le solide porteur d'oxygène.

La quantité de précurseur de la masse active d'oxydo-réduction utilisée pour l'étape d'imprégnation est choisie de manière à ce que la masse active d'oxydo-réduction constitue entre 5% et 75% en poids du solide porteur d'oxygène, de préférence constitue entre 10% et 40% poids du solide porteur d'oxygène.

L'imprégnation peut être réalisée en une ou plusieurs étapes successives.

Si l'imprégnation est réalisée en plusieurs étapes successives, des étapes intermédiaires de séchage à une température comprise entre 30°C et 200°C et/ou de calcination à une température comprise entre 200°C et 600°C sont de préférence réalisées.

Les particules imprégnées sont ensuite (ii) séchées, par exemple à l'étuve, et de préférence sous air ou sous atmosphère contrôlée (humidité relative contrôlée, sous azote). Par atmosphère contrôlée on entend par exemple avec une humidité relative contrôlée ou sous azote . Ce séchage est réalisé à une température comprise entre 30°C et 200°C.

Plus préférentiellement ce séchage est effectué sous air à une température comprise entre 100°C et 150°C. Enfin, les particules imprégnées et séchées sont ensuite (iii) calcinées. Cette deuxième étape de calcination (la première étant celle de l'étape (C)) aboutit au solide porteur d'oxygène sous forme de particules selon l'invention.

Cette calcination (iii) est de préférence effectuée sous air entre 450°C et 1400°C, plus préférentiellement entre 600°C et 1000°C, et encore plus préférentiellement entre 700°C et 900°C.

Cette calcination peut être effectuée pendant une durée de 1 à 24 heures, et de préférence pendant une durée de 5 à 15 heures .

Avantageusement, on applique une rampe de montée en température comprise entre 1 °C/min et 50°C/min, et de préférence entre 5°C/min et 20°C/min, pour atteindre la température de calcination donnée. La durée pour mettre en œuvre cette rampe de température n'est pas comprise dans les gammes de durée de calcination indiquées ci- dessus.

Cette calcination permet la formation de la masse active oxydo-réductrice dispersée au sein de la matrice en céramique.

Il apparaît également que cette étape de calcination (iii) a un impact limité sur la structure macroporeuse initiale des particules, et d'autant plus limité lorsque la calcination est réalisée à une température comprise entre 700°C et 900°C. Une faible augmentation du diamètre des macropores et une faible diminution du volume poreux total peuvent être observés.

Etape $.?).

Selon l'étape e2), et de manière alternative à ce qui est réalisé à l'étape e1 ), la masse active oxydo-réductrice est associée à la matrice en céramique lors de la préparation de la suspension à l'étape (A).

L'incorporation de la masse active oxydo-réductrice peut alors se faire selon l'une des trois étapes suivantes :

(j) imprégnation par au moins un composé précurseur soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer ou du manganèse des grains de l'oxyde, de l'un des oxydes ou de tous les oxydes utilisés pour préparer la suspension à l'étape (A). Ledit composé précurseur de la masse active, soluble dans l'eau, peut être choisi dans la liste constituée par les nitrates de formules suivantes : Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Ni(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Co(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Fe(N0 ₃ ) ₃ .xH ₂ 0, Mn(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0. L'imprégnation est réalisée avant la mise en suspension des grains. Avantageusement, un précurseur soluble de cuivre, et de préférence le nitrate de cuivre Cu(N0 ₃ )2.xH ₂ 0, est choisi pour réaliser cette imprégnation, afin d'obtenir une masse active oxydo-réductrice d'oxyde(s) de cuivre, par exemple un oxyde de cuivre de formule CuO, pour former le solide porteur d'oxygène. Une étape de séchage suivie d'une étape de calcination, telles que décrites à l'étape e1 ) (ii) et (iii) peuvent être réalisées à la suite de cette imprégnation (j).

(jj) addition d'au moins un précurseur soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer et/ou du manganèse à la suspension préparée à l'étape (A). Avantageusement, le composé soluble est choisi dans la liste constituée par les nitrates de formules suivantes : Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Ni(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Co(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0, Fe(N0 ₃ ) ₃ .xH ₂ 0, Mn(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0. De préférence le précurseur choisi est un composé soluble du cuivre, plus préférentiellement le préférence le nitrate de cuivre Cu(N0 ₃ ) ₂ .xH ₂ 0.

(jjj) addition à la suspension préparée à l'étape (A) d'au moins un oxyde de cuivre, de nickel, de cobalt, de fer, de manganèse, une pérovskite présentant des propriétés redox (par exemple CaMn0 ₃ ), un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox (par exemple CuFe ₂ 0 ₄ , CuAI ₂ 0 ₄ ), ou tout autre composé susceptible d'échanger de l'oxygène dans les conditions redox du procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique tel que le CLC. Ces précurseurs de la masse active ajoutés à la suspension préparée à l'étape (A) sont des solides sous la forme de grains, de taille comprise entre 0, 1 μηη et 20 μηη, de préférence comprise entre 0,5 μηη et 5 μηη, et de manière plus préférée comprise entre 1 μηη et 3 μηη. De préférence, on ajoute un oxyde de cuivre à la suspension préparée à l'étape (A).

La préparation du solide porteur d'oxygène selon l'invention peut comprendre le recyclage à l'étape E) de fines du porteur d'oxygène produites au cours de son utilisation dans un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique tel que le CLC, par exemple par addition lors de l'étape (jjj) dans la suspension préparée à l'étape (A) de moins de 10% poids de fines par rapport à la teneur en oxyde(s) totale de la suspension. Les fines recyclées consistent en un mélange de la masse active et de la matrice céramique, dont la taille est inférieure à 40 μηη. Une étape de broyage des fines est donc nécessaire pour atteindre une distribution en taille des particules fines comprise entre 0, 1 μηη et 20 μηη, de préférence entre 0,5 μηη et 5 μηη, et de manière plus préférée comprise entre 1 μηη et 3 μηη.

Utilisation du solide porteur d'oxygène

Le solide porteur d'oxygène est destiné à être utilisé dans un procédé d'oxydo- réduction en boucle chimique. L'invention porte ainsi sur un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique utilisant le solide porteur d'oxygène tel que décrit, ou préparé selon le procédé de préparation tel que décrit.

Avantageusement le solide porteur d'oxygène décrit est utilisé dans un procédé CLC d'une charge hydrocarbonée, dans lequel le solide porteur d'oxygène est sous forme de particules et circule entre au moins une zone de réduction et une zone d'oxydation opérant toutes les deux en lit fluidisé.

La température dans la zone de réduction et dans la zone d'oxydation est comprise entre 400°C et 1400°C, de préférence comprise entre 600°C et 1 100°C, et encore plus préférentiellement comprise entre 800°C et 1 100°C.

La charge hydrocarbonée traitée peut être une charge hydrocarbonée solide, liquide ou gazeuse : combustibles gazeux (ex.: gaz naturel, syngas, biogaz), liquides (ex.: fuel, bitume, diesel, essences etc.), ou solides (ex.: charbon, coke, pet-coke, biomasse, sables bitumineux, etc.).

Le principe de fonctionnement du procédé CLC dans lequel est utilisé le solide porteur d'oxygène décrit est le suivant : un solide porteur d'oxygène réduit est mis au contact d'un flux d'air, ou tout autre gaz oxydant, dans une zone réactionnelle appelée réacteur air (ou réacteur d'oxydation). Il en résulte un flux d'air appauvri et un flux de particules du solide porteur d'oxygène ré-oxydées. Le flux de particules de porteur d'oxygène oxydé est transféré dans une zone de réduction appelée réacteur fuel (ou réacteur de réduction). Le flux de particules est mis au contact d'un combustible, typiquement une charge hydrocarbonée. Il en résulte un effluent de combustion et un flux de particules de porteur d'oxygène réduit. L'installation CLC peut comprendre divers équipements, pour l'échange de chaleur, la mise en pression, la séparation ou les éventuelles recirculations de matière autour des réacteurs air et fuel.

Dans la zone de réduction, la charge hydrocarbonée est mise en contact, de préférence à co-courant, avec le solide porteur d'oxygène sous forme de particules comportant la masse active oxydo-réductrice pour réaliser la combustion de ladite charge par réduction de la masse active oxydo-réductrice. La masse active oxydo-réductrice M _x O _y , M représentant un métal, est réduit à l'état par l'intermédiaire de la charge hydrocarbonée C _n H _m , qui est corrélativement oxydée en C0 ₂ et H ₂ 0, selon la réaction (1 ) déjà décrite, ou éventuellement en mélange CO + H ₂ selon les proportions utilisées. La combustion de la charge au contact de la masse active est réalisée à une température généralement comprise entre 400°C et 1400°C, préférentiellement entre 600°C et 1 100°C, et plus préférentiellement entre 800°C et 1 100°C. Le temps de contact varie selon le type de charge combustible utilisée. Il varie typiquement entre 1 seconde et 10 minutes, par exemple de préférence entre 1 et 5 minutes pour une charge solide ou liquide, et par exemple de préférence de 1 à 20 secondes pour une charge gazeuse.

Un mélange comprenant les gaz issus de la combustion et les particules du solide porteur d'oxygène est évacué, typiquement au sommet de la zone de réduction. Des moyens de séparation de gaz/solide, tels qu'un cyclone, permettent de séparer les gaz de combustion des particules solides du porteur d'oxygène dans leur état le plus réduit. Ces dernières sont envoyées vers la zone d'oxydation pour être ré-oxydées, à une température généralement comprise entre 400°C et 1400°C, préférentiellement entre 600°C et 1 100°C, et plus préférentiellement entre 800°C et 1 100°C.

Dans le réacteur d'oxydation, la masse active est restaurée à son état oxydé M _x O _y au contact de l'air, selon la réaction (2) déjà décrite (ou selon la réaction (3) si le gaz oxydant est H ₂ 0), avant de retourner vers la zone de réduction, et après avoir été séparée de l'air appauvri en oxygène évacué au sommet de la zone d'oxydation 100.

La masse active, passant alternativement de sa forme oxydée à sa forme réduite et inversement, décrit un cycle d'oxydo-réduction.

Le solide porteur d'oxygène décrit peut également être utilisé dans un autre procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique tel qu'un procédé CLR ou un procédé CLOU.

La technologie utilisée dans le procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique est de préférence celle du lit fluidisé circulant, mais ne se limite pas à cette technologie, et peut être élargie à d'autres technologies comme celle du lit fixe, mobile ou bouillonnant, ou encore de réacteur tournant.

Exemples

L'intérêt des solides porteurs d'oxygène selon l'invention dans les procédés en boucle chimique, en particulier CLC, notamment la minimisation de la migration de la masse active au sein des particules au cours des cycles redox, est exposé à travers les exemples 1 à 5 ci-dessous.

Les exemples 2 et 3 portent sur des solides porteurs d'oxygène non conformes à l'invention. Les exemples 4 et 5 portent sur des solides porteurs d'oxygène conformes à l'invention. Exemple 1 : Test de vieillissement des solides porteurs d'oxygène en lit fluidisé batch

Le vieillissement des solides porteurs d'oxygène en lit fluidisé batch a été réalisé dans une unité constituée d'un réacteur en quartz, d'un système automatisé d'alimentation du réacteur en gaz et d'un système d'analyse des gaz sortant du réacteur.

Ce test de vieillissement approxime les conditions d'utilisation du solide porteur d'oxygène dans un procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique, en particulier de combustion en boucle chimique d'oxydo-réduction.

La distribution des gaz (CH ₄ , C0 ₂ , N ₂ , air) est assurée par des débitmètres massiques. Pour des raisons de sécurité, un balayage à l'azote est réalisé après chaque période de réduction et d'oxydation.

La hauteur du réacteur en quartz est de 30 cm, avec un diamètre de 4 cm dans sa partie basse (sur 24 cm de haut), et 7 de cm dans sa partie haute. Un fritté en quartz est disposé en bas du réacteur pour assurer la distribution des gaz et une bonne fluidisation des particules. Un autre fritté est placé dans la partie haute du réacteur pour éviter la perte de fines au cours de l'essai. Le réacteur est chauffé à l'aide d'un four électrique. Une partie du gaz sortant du réacteur est pompée vers les analyseurs de gaz, refroidie pour condenser l'essentiel de l'eau formée lors de la réduction puis séchée à l'aide de chlorure de calcium. Les concentrations en gaz sont mesurées à l'aide d'analyseurs infrarouge non dispersifs pour CO, C0 ₂ et CH ₄ , d'un analyseur paramagnétique pour l'oxygène, et d'un détecteur TCD pour l'hydrogène.

Conditions de test standard : 100 grammes de particules sont introduits dans le réacteur quartz puis chauffés à 900°C sous flux d'air (60 Nl/h). Lorsque la température du lit est stabilisée à 900°C sous air, 250 cycles sont réalisés selon les étapes suivantes :

1- Balayage à l'azote (60 Nl/h)

2- Injection d'un mélange CH ₄ /C0 ₂ (30 NI/h/30 Nl/h) (réduction des particules)

3- Balayage à l'azote (60 Nl/h)

4- Injection d'air (60 Nl/h) (oxydation des particules)

La conversion du solide porteur d'oxygène (quantité d'oxygène apportée par le solide porteur d'oxygène pour réaliser la conversion du méthane, exprimée en % poids du porteur d'oxygène oxydé) est calculée à partir des données de conversion des gaz, et le temps de réduction (étape 2 du cycle) est ajusté après le premier cycle pour que le solide porteur d'oxygène relâche environ 2% poids d'oxygène (par rapport à la masse oxydée de solide porteur d'oxygène introduite) à chaque cycle de réduction. Le temps d'oxydation (étape 4 du cycle) est suffisant pour réoxyder totalement les particules (15 min).

La distribution en taille des particules a été mesurée à l'aide d'un granulomètre Malvern, en utilisant la théorie de Fraunhofer.

Les mesures de porosimétrie au mercure ont été réalisées sur l'appareil Autopore IV commercialisé par Micromeritics, en considérant une tension de surface du mercure de 485 dyn/cm et un angle de contact de 140°. La taille de pores minimale mesurable par porosimétrie au mercure est de 3,65 nm.

Les isothermes d'adsorption d'azote ont été réalisés sur l'appareil ASAP 2420 commercialisé par Micromeritics.

Exemple 2 : solide porteur d'oxygène CuO/Alumine

Selon cet exemple 2, on forme un solide porteur d'oxygène à partir d'alumine en tant que matrice support d'une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre.

L'alumine utilisée pour cet exemple est la Puralox SCCa 150-200 commercialisée par Sasol. La distribution en taille des particules du support aluminique indique Dv10 = 104 μηη, Dv50= 161 μηη et Dv90 = 247 μηη. Le volume poreux des particules mesuré par porosimétrie au mercure est de 0,450 ml/g, et la distribution en taille des pores est comprise entre 5 et 15 nm, centrée sur 9 nm. Le volume macroporeux du support mesuré par porosimétrie au mercure est de 0,007 ml/g (1 ,5% du volume poreux total).

L'isotherme d'adsorption d'azote de la Puralox permet de mesurer une surface spécifique de 199 m ² /g, un volume microporeux (pores <2nm) nul et un volume mésoporeux (2nm < pores < 50 nm) de 0,496 ml/g.

233 g d'alumine Puralox ont été imprégnés selon la méthode d'imprégnation à sec, avec 96,5 g de nitrate de cuivre trihydraté dissous dans le volume nécessaire d'eau déminéralisée. Après séchage à 120°C et calcination à 850°C pendant 12h, un solide contenant 12% massique de CuO est obtenu ; les phases cristallographiques détectées par DRX sont γ-ΑΙ203 et CuO. La distribution du cuivre au sein des particules est homogène.

Le volume poreux des particules du solide obtenu, mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0,367 ml/g, dont 0,015 ml/g (soit 4% du volume poreux total mesuré par porosimétrie au mercure) est dû à la macroporosité. La distribution de la taille des pores est comprise entre 5 et 20 nm et centrée sur 1 1 ,25 nm, tel que visible sur le diagramme de la figure 1A représentant le volume de mercure injecté Vi (ml/g) dans la porosité, ainsi que le rapport dV/dD (dérivée du (volume Hg introduit / taille des pores), donnant une information de la distribution en taille des pores), en fonction du diamètre des pores (nm), pour le solide porteur d'oxygène selon cet exemple. Les particules sont donc essentiellement mésoporeuses.

L'isotherme d'adsorption d'azote du solide porteur d'oxygène selon cet exemple permet de mesurer une surface spécifique de 135 m ² /g, un volume microporeux (pores <2nm) nul et un volume mésoporeux (2nm < pores < 50 nm) de 0,404 ml/g. Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple a été vieilli dans les conditions décrites dans l'exemple 1 .

La figure 1 B est un diagramme représentant le taux de conversion normalisé Xc du méthane en fonction du nombre N de cycles d'oxydo-réduction dans un procédé CLC utilisant le solide porteur d'oxygène selon l'exemple 2.

La conversion du méthane est de l'ordre de 98 % au début du test, elle augmente jusqu'à atteindre 100%, puis une désactivation progressive est observée après le centième cycle. La conversion se stabilise ensuite autour de 95%.

Il est à noter que la nature de la masse active utilisée (CuO) entraîne l'apparition d'oxygène lors de l'étape de balayage à l'azote. Les particules peuvent donc être utilisées indifféremment dans un procédé de type CLC ou CLOU.

Après test, l'échantillon a subi une attrition très importante, la quasi-totalité des particules présentant une taille inférieure à 100 μηη, tel que cela est bien visible sur le diagramme de la figure 1 C, représentant la distribution de la taille des particules (μηη) du solide porteur d'oxygène selon cet exemple avant (courbe 10) et après (courbe 1 1 ) son utilisation dans un procédé CLC, c'est-à-dire avant et après le test de vieillissement selon l'exemple 1.

Les clichés MEB sur section polie des particules après le test de vieillissement selon l'exemple 1 , tel que le cliché de la figure 1 D, montrent que la matrice aluminique constitutive des particules n'a pas résisté aux 250 cycles redox successifs. La plupart des particules est effectivement sous formes de fragments de petite taille (quelques dizaines de μηη). En outre, des analyses MEB-EDX supplémentaires montrent que les plus fines particules observées (quelques μηη en taille) sont constituées quasi exclusivement de cuivre et d'oxygène.

Cet exemple montre que lorsque la masse active est déposée sur une alumine purement mésoporeuse, l'accumulation de cycles redox aboutit à la fissuration de ladite matrice aluminique, et à la migration du cuivre au sein de la matrice aluminique pour former des agrégats composés essentiellement de cuivre. La résistance mécanique de la matrice céramique fissurée est alors insuffisante et la durée de vie des particules est diminuée de manière drastique.

Exemple 3 : solide porteur d'oxygène CuO/Alumine silicée à 5% de SiO?

Selon cet exemple 3, on forme un solide porteur d'oxygène à partir d'alumine silicée à 5% de Si0 ₂ en tant que matrice support d'une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre (CuO et CuAI ₂ 0 ₄ ).

L'alumine silicée utilisée est la Siralox 5 commercialisée par Sasol et qui contient

5% en poids de silice (Si0 ₂ ). La distribution en taille des particules indique Dv ₁₀ = 60 μηη, Dv ₅₀ = 89 μηη et Dv ₉₀ = 131 μηη. Le volume poreux mesuré par porosimétrie au mercure du support alumino-silicique est de 0,549 ml/g, et la distribution en taille des pores est comprise entre 5 et 30 nm, centrée sur 13 nm. Le volume macroporeux est de 0.033 ml/g, soit 6% du volume poreux total mesuré par porosimétrie au mercure.

L'isotherme d'adsorption d'azote de la Siralox 5 permet de mesurer une surface spécifique de 173 m ² /g, un volume microporeux (pores <2nm) nul et un volume mésoporeux (2nm < pores < 50 nm) de 0,601 ml/g. 240 g d'alumine silicée ont été imprégnés selon la méthode d'imprégnation à sec, avec 109 g de nitrate de cuivre trihydraté en solution aqueuse. Après séchage à 120°C et calcination à 1000°C pendant 12h, un solide contenant 13% massique d'équivalent CuO est obtenu. Les phases cristallographiques détectées par DRX sont δ-ΑΙ ₂ 0 ₃ , θ-ΑΙ ₂ 0 ₃ , CuAI ₂ 0 ₄ et CuO. Le cliché MEB en électrons rétrodiffusés (a) sur section polie et la cartographie EDX (b) de la figure 2C montrent que le cuivre est relativement bien dispersé à l'intérieur des particules, mais de manière moins homogène que dans l'exemple 2.

Le volume poreux des particules mesuré par porosimétrie mercure est de 0,340 ml/g, dont 0,029 ml/g (8,5%) est dû à de la macroporosité. La distribution de la taille des pores est comprise entre 7 et 50 nm et centrée sur 15 nm, tel que visible sur le diagramme de la figure 2A représentant le volume de mercure injecté Vi (ml/g) dans la porosité, ainsi que le rapport dV/dD, en fonction du diamètre des pores (nm), pour le solide porteur d'oxygène selon cet exemple. Les particules après imprégnation/calcination sont essentiellement mésoporeuses.

La surface spécifique mesurée par adsorption d'azote est de 77 m ² /g. Le solide porteur d'oxygène selon l'exemple 3 a été vieilli dans les conditions décrites dans l'exemple 1 .

La conversion du méthane est stable, de l'ordre de 60% sur la totalité du test (Figure 2B).

II est à noter que la nature de la masse active utilisée (CuO) entraîne l'apparition d'oxygène lors de l'étape de balayage à l'azote. Les particules peuvent donc être utilisées indifféremment dans un procédé de type CLC ou CLOU.

La conversion partielle du méthane par rapport à l'exemple 2 n'est pas un problème vis-à-vis du procédé CLC ou CLOU à l'échelle industrielle, la conversion totale du combustible pouvant être atteinte en modifiant les temps de séjour des particules, les vitesses de gaz et/ou l'inventaire dans le réacteur de réduction.

La distribution en taille des particules après le test de vieillissement est semblable à celle du matériau avant test, ce qui indique une meilleure résistance mécanique de la matrice alumine-silice par rapport aux particules sur alumine pure.

On observe toutefois que la quasi-totalité du cuivre initialement dispersé au sein des particules a migré vers la périphérie desdites particules pour former des zones poreuses contenant essentiellement du cuivre et un peu d'aluminium, tel que cela est visible sur le cliché MEB de la figure 2D. La résistance mécanique de ces zones, bien que poreuses, est suffisante pour que les couches et agrégats formés soient encore dans la plupart des cas solidaires du support alumine-silice initial dans les conditions décrites dans l'exemple 1. Il n'est toutefois pas envisageable d'utiliser ce type de particules dans un lit fluidisé circulant à l'échelle industrielle, où les vitesses de gaz plus élevées et l'inévitable attrition par abrasion aboutiraient à l'élimination rapide de l'intégralité du cuivre accumulé en périphérie.

D'après les mesures EDS effectuées, la zone des particules dont la morphologie est relativement inchangée par rapport à la silice-alumine initiale est constituée majoritairement d'alumine et ne contient que des traces de cuivre, ainsi que la quasi-totalité du silicium. La présence de silicium dans la matrice céramique permet donc de stabiliser ladite matrice céramique. Toutefois, la totalité du cuivre initialement bien dispersé dans la matrice mésoporeuse a migré vers la périphérie des particules au cours des cycles redox successifs.

Exemple 4 : solide porteur d'oxygène CuO/A O^ à porosité contrôlée

Mode de réalisation et de préparation du solide porteur d'oxygène dans les exemples 4, 5 et 6, les particules du solide porteur d'oxygène sont préparées à partir de la synthèse de particules de matrice en céramique de type oxydes inerte et stable servant de support à la masse active d'oxydo-réduction (supports non commercialisés). Les particules du solide porteur d'oxygène sont préparées de la manière suivante :

Des matériaux synthétiques aluminosiliciques sont élaborés et formulés à partir de suspensions aqueuses qui ont été séchées par atomisation pour aboutir à des particules solides microsphériques, autrement appelées granules ou microspheres.

L'étape de formulation du support oxyde correspond à ajuster la nature et la composition (teneur en pourcentage massique) des matières ou précurseurs utilisés dans la suspension de départ. Une fois les matières premières sélectionnées (sous forme solide ou liquide selon leurs propriétés physico-chimiques), elles sont ensuite mélangées avec de l'eau déionisée, jouant le rôle de solvant, dans une cuve agitée afin d'obtenir une suspension aqueuse fluide et stable. Cette suspension est ensuite transférée vers un séchoir par atomisation où elle est pulvérisée en fines gouttelettes qui, durant la phase de séchage et d'évaporation de l'eau, vont former des particules solides sphériques avec une taille proche de la centaine de μηη.

Des étapes de post-traitement s'en suivent telles que la calcination ou le criblage du support oxyde puis une étape d'imprégnation d'une phase métallique active suivi par une dernière calcination des particules permettent d'obtenir un matériau transporteur d'oxygène utilisable dans le procédé d'oxydo-réduction en boucle chimique tel que le CLC.

Selon cet exemple 4, on forme un solide porteur d'oxygène comportant une matrice céramique d'alumine au sein de laquelle est dispersée une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre.

Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple est obtenu à partir d'une suspension aqueuse d'alumine, en mettant notamment en œuvre la technique de séchage par atomisation.

L'alumine utilisée pour cet exemple est une poudre issue d'une production batch semi-industrielle qui a été obtenue à partir d'une suspension aqueuse d'alumine au moyen du procédé de séchage par atomisation, tel que décrit ci-dessus dans le mode de réalisation et de préparation du solide porteur d'oxygène.

La suspension aqueuse de départ est composée de 61 % poids d'eau dé-ionisée, de 27,2% poids de grains d'alumine gamma (γ-ΑΙ ₂ 0 ₃ avec granulométrie D _v50 = 2,8μηι, humidité de 5%pds), de 3,8% poids de grains de boehmite (AIOOH avec granulométrie D _v50 = 45μηι, humidité de 30%pds), de 7,8% poids de liant alcool polyvinylique (PVA avec M~4000g/mol, humidité de 80% poids), et de 0,2% poids d'acide nitrique (HN0 ₃ concentré à 68%pds).

Dans cette formulation, le ratio massique par rapport à la masse de particules d'oxydes en suspension, est de 10,6% poids pour le liant inorganique (boehmite) et de 5,2% poids pour le liant organique (PVA).

Après une étape de mélange vigoureux des matières au sein d'une cuve agitée pendant 30 minutes, on procède au séchage par atomisation de la suspension : la suspension homogénéisée est pompée puis pulvérisée en fines gouttelettes, au moyen d'une buse pneumatique positionnée en partie haute d'une chambre de séchage. Ensuite, la mise en contact des gouttelettes avec un flux d'air chauffé à 300°C induit une évaporation de l'eau et le séchage progressif, ce qui permet d'aboutir à des particules sphériques solides collectées en bas de la chambre de séchage, et présentant une taille comprise entre 30 μηη et 200 m.

Ces particules sèches forment une poudre, qui est ensuite calcinée durant 4 heures en four à moufles à une température de 700°C, puis qui est criblée entre 125 et 315 μηη pour éliminer les plus fines particules.

Les particules obtenues constituent le support oxyde final, et ce matériau oxyde final est composé à 100 %poids d'alumine (Al ₂ 0 ₃ ).

La distribution en taille des particules du support oxyde final indique D _v10 = 58 μηη, D _v50 = 159 μηη et D _v90 = 278 μηη. Le volume poreux mesuré par porosimétrie au mercure du support en alumine est de 0,76 ml/g, et une distribution en taille des pores bimodale est observée. La distribution en taille des pores pour la mésoporosité est comprise entre 5 et 50 nm (centrée sur 9,6 nm) et pour la macroporosité est comprise entre 50 et 2800 nm (centrée sur 385 nm). Le volume macroporeux est de 0,37 ml/g, soit 49% du volume poreux total mesuré par porosimétrie au mercure.

200 g de cette alumine sont imprégnés selon la méthode d'imprégnation à sec, avec 91 ,3 g de nitrate de cuivre trihydraté dissous dans le volume nécessaire d'eau déminéralisée. Après séchage à 120°C et calcination à 850°C pendant 12h, un solide contenant 13% massique équivalent CuO est obtenu

Après calcination à 800°C pendant 12h, la diffraction des rayons X montre qu'un aluminate de cuivre (CuAI ₂ 0 ₄ ) sous-stoechiométrique en Cu est formé, ainsi qu'un peu de CuO. La distribution en taille des particules du solide porteur d'oxygène mesurée par diffraction laser indique Dv ₁₀ = 82 μηη μηη, Dv ₅₀ = 177 μηη et Dv ₉₀ = 292μηη. Le volume poreux mesuré par porosimétrie au mercure du support en alumine est de 0,643 ml/g, et une distribution en taille des pores bimodale est observée. Le volume poreux total est constitué pour 50% de mésopores de taille comprise entre 7 et 50 nm, et pour 50 % de macropores de taille comprise entre 50 nm et 3 μηη, centrée sur 400 nm. Cette distribution est visible sur la figure 3A, où Vi se réfère à la porosité des particules du porteur d'oxygène initial (avant test de vieillissement). La densité de grain du solide porteur d'oxygène est de 987 kg/m ³ . Le cliché MEB de la figure 3B sur section polie montre une particule du porteur d'oxygène sphérique. La faible différence de contraste en électrons rétrodiffusés entre les grains constitutifs du porteurs d'oxygène indique que le cuivre est dispersé de manière homogène au sein de la particule. Le vieillissement des particules en lit fluidisé batch a été réalisé selon le même protocole que dans l'exemple 1.

La conversion du méthane en H ₂ 0 et C0 ₂ , visible sur le diagramme de la figure 3C affichant la conversion du méthane (normalisée) en fonction des cycles d'oxydo-réduction lors du test, est stable, de l'ordre de 99% sur la totalité du test.

Il est à noter que la nature de la masse active utilisée (CuO) entraîne l'apparition d'oxygène lors de l'étape de balayage à l'azote. Les particules peuvent donc être utilisées indifféremment dans un procédé de type CLC ou CLOU. La distribution en taille des particules après le test de vieillissement est semblable à celle du matériau avant test.

Les principales phases cristallines détectées par DRX après vieillissement sont la ténorite (CuO) et l'alumine alpha. Quelques pics de faible intensité caractéristiques de l'aluminate de cuivre (CuAI ₂ 0 ₄ ) sont également présents.

Contrairement aux observations de l'exemple 2, la matrice aluminique a bien résisté aux cycles redox.

La distribution du cuivre après 250 cycles en lit fluidisé batch au sein des particules du porteur d'oxygène selon l'invention reste relativement homogène, avec une tendance nettement minimisée du cuivre à migrer vers la périphérie des particules par rapport à l'exemple 3. Des nodules cuivreux de taille comprise entre 0,1 μηη et 5 μηη (nodules brillants de CuO sur les clichés MEB (a) et (b) de la figure 3E) sont observés dans la macroporosité des particules du solide porteur d'oxygène, ainsi que quelques zones où le cuivre est plus dispersé et associé à l'aluminium (CuAI ₂ 0 ₄ ).

Le volume poreux total des particules mesuré par porosimétrie au mercure (0,637 ml/g) a peu évolué, et est constitué essentiellement de macroporosité (0,634 ml/g). La quasi- totalité de la mésoporosité initiale liée à l'utilisation d'alumine gamma a disparu pour former de l'alumine alpha macroporeuse au sein de laquelle le cuivre reste dispersé.

La taille des pores après 250 cycles varie entre 200 nm et 3,5 μηη, et est centrée sur 700 nm. La matrice alumine a donc fritté, mais la distribution en taille des pores et le volume poreux limitent la migration du cuivre au sein des particules. Cette distribution est visible sur la figure 3D, où Vi se réfère à la porosité des particules du porteur d'oxygène après le test de vieillissement.

Selon cet exemple, la matrice céramique initialement macroporeuse a très bien résisté aux 250 cycles redox successifs et le cuivre reste dispersé sous forme de nodules de petite taille au sein de la macroporosité développée par la matrice. En outre, l'évolution texturale des particules est relativement faible.

L'évolution morphologique du solide porteur d'oxygène selon l'invention (porosité et distribution du cuivre) permet donc d'envisager l'utilisation prolongée de ces particules dans un procédé industriel redox en boucle chimique, notamment en lit fluidisé circulant. Exemple 5 : solide porteur d'oxygène CuO/Si-AI à porosité contrôlée

Selon cet exemple 5, on forme un solide porteur d'oxygène comportant une matrice céramique d'alumine silicée (13% de Si0 ₂ ) au sein de laquelle est dispersée une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre.

Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple est obtenu à partir d'une suspension aqueuse comportant de l'alumine et de l'acide silicique, en mettant notamment en œuvre la technique de séchage par atomisation.

L'alumine silicée utilisée pour cet exemple est une poudre issue d'une production batch semi-industrielle qui a été obtenue par granulation d'une suspension aqueuse d'alumine et de silice au moyen du procédé de séchage par atomisation, tel que décrit dans le mode de réalisation et de préparation du solide porteur d'oxygène.

La suspension aqueuse de départ était composée de 42% poids d'eau dé-ionisée, de 25,5% poids de grains d'alumine gamma (γ-ΑΙ ₂ 0 ₃ avec granulométrie Dv50 = 2,8 μηη, humidité de 5% poids), de 4,8% poids de grains de boehmite (AIOOH avec granulométrie Dv50 = 45 μηη, humidité de 30% poids), de 3,7% poids de grains de silice précipitée amorphe (Si0 ₂ commerciale type Solvay Tixosil 331 , avec granulométrie Dv50 = 3,5 μηη, humidité de 12% poids), de 16,8% poids d'acide silicique ( Si[OH] ₄ concentré à 50g de Si0 ₂ par Kg), de 5,6% poids de liant alcool polyvinylique (PVA avec M~4000g/mol, humidité de 80% poids), et de 1 ,5% poids d'acide nitrique (HN0 ₃ concentré à 68% poids).

Dans cette formulation, le ratio massique par rapport à la masse de particules d'oxydes en suspension, est de 15% poids pour les liants inorganiques (boehmite et acide silicique) et de 3,3% poids pour le liant organique (PVA).

Après une étape de mélange vigoureux des matières au sein d'une cuve agitée pendant 30mn, on procède au séchage par atomisation de la suspension : la suspension homogénéisée est pompée puis pulvérisée en fines gouttelettes, au moyen d'une buse pneumatique positionnée en partie haute d'une chambre de séchage. Ensuite, la mise en contact des gouttelettes avec un flux d'air chauffé à 300°C induit une évaporation de l'eau et le séchage progressif, ce qui permet d'aboutir à des particules sphériques solides collectées en bas de la chambre de séchage, et présentant une taille comprise entre 30 μιη et 200 μιη.

Ces particules sèches forment une poudre, qui est ensuite calcinée durant 4 heures en four à moufles à une température de 700°C, puis qui est criblée entre 125 μηη et 200 μηη pour éliminer les plus fines particules.

Les particules obtenues constituent le support oxyde final, et ce matériau oxyde final est composé à 87, 1 % poids d'alumine (Al ₂ 0 ₃ ) et à 12,9% poids de silice (Si0 ₂ ).

La distribution en taille des particules du support oxyde final indique Dv10 = 10 μηη, Dv50 = 104 μηη et Dv90 = 237 μηη. Le volume poreux mesuré par porosimétrie au mercure du support en alumine est de 0,94 ml/g, et une distribution en taille des pores bimodale est observée. La distribution en taille des pores pour la mésoporosité est comprise entre 4 et 50 nm (centrée sur 9,8 nm) et pour la macroporosité est comprise entre 50 et 1000 nm (centrée sur 426 nm). Le volume macroporeux est de 0,51 ml/g, soit 54% du volume poreux total mesuré par porosimétrie au mercure. 120 g de cette alumine-silicée ont été imprégnés selon la méthode d'imprégnation à sec, avec 52 g de nitrate de cuivre trihydraté dissous dans le volume nécessaire d'eau déminéralisée. Après séchage à 120°C et calcination à 800°C pendant 12h, un solide contenant 12,4 % massique équivalent CuO est obtenu.

Après calcination à 800°C pendant 12h, la diffraction des rayons X montre qu'un aluminate de cuivre (CuAI ₂ 0 ₄ ) sous-stœchiométrique en Cu est formé. Une bande amorphe entre 17 et 28° 2Θ correspondant à de la silice non cristallisée est également présente.

La distribution en taille des particules indique Dv ₁₀ =13 μηη, Dv ₅₀ = 120 μηη et Dv ₉₀ = 233 μηη. Le volume poreux mesuré par porosimétrie au mercure du solide porteur d'oxygène est de 0,808 ml/g, et une distribution en taille des pores bimodale est observée. Le volume poreux total est constitué pour 57% de mésopores de taille comprise entre 7 et 50 nm, et pour 43 % de macropores de taille comprise entre 50 nm et 900 nm, centrée sur 430 nm. Cette distribution est visible sur la figure 4A, où Vi se réfère à la porosité des particules du porteur d'oxygène initial (avant test de vieillissement). La densité de grain du solide porteur d'oxygène est de 880 kg/m ³ .

Le cliché MEB de la figure 4B sur section polie montre une particule du porteur d'oxygène sensiblement sphérique. La faible différence de contraste en électrons rétrodiffusés entre les grains constitutifs du porteurs d'oxygène indique que le cuivre est dispersé de manière homogène au sein de la particule.

Le vieillissement des particules en lit fluidisé batch a été réalisé selon le même protocole que dans l'exemple 1. La conversion du méthane en H ₂ 0 et C0 ₂ , visible sur le diagramme de la figure 4C affichant la conversion du méthane (normalisée) en fonction des cycles d'oxydo-réduction lors du test, est stable, de l'ordre de 99% sur la totalité du test.

Il est à noter que la nature de la masse active utilisée (CuO) entraîne l'apparition d'oxygène lors de l'étape de balayage à l'azote. Les particules peuvent donc être utilisées indifféremment dans un procédé de type CLC ou CLOU.

Comme dans l'exemple 4, la distribution en taille des particules après le test de vieillissement est semblable à celle du matériau avant test. Les principales phases cristallines détectées par DRX après vieillissement sont la ténorite (CuO) l'aluminate de cuivre (CuAI ₂ 0 ₄ ), la mullite (AI ₆ Si ₂ 0i3), l'alumine delta et l'alumine alpha.

La distribution du cuivre après 250 cycles en lit fluidisé batch au sein des particules du solide porteur d'oxygène selon l'invention reste relativement homogène, avec une tendance nettement minimisée du cuivre à migrer vers la périphérie des particules par rapport à l'exemple 3. On observe, par exemple sur le cliché MEB de la figure 4E d'une section poile de particules du solide porteur d'oxygène après test, la présence de nodules cuivreux de taille comprise entre 0,1 μηη et 5 μηη répartis uniformément dans la macroporosité, ainsi que de larges zones présentant une surconcentration en cuivre (en gris clair, probablement CuAI ₂ 0 ₄ ).

Le volume poreux total des particules mesuré par porosimétrie au mercure (0,302 ml/g) a fortement diminué, et est constitué essentiellement de macroporosité (0,267 ml/g). La présence de silicium au sein de la matrice aluminique entraîne un comportement différent de celui de l'alumine pure au cours des cycles redox. Une densification plus importante de la matrice céramique est observée.

Le volume mésoporeux résiduel ne représente que 1 1 % du volume poreux total et est probablement lié à la présence de CuAI ₂ 0 ₄ et/ou alumine delta. Le volume macroporeux a relativement peu diminué par rapport à l'état initial.

La taille des pores après 250 cycles varie entre 50 nm et 2,8 μηη, et est centrée sur

780 nm. La matrice alumino-silicique a fritté, mais la distribution en taille des pores et le volume poreux limitent la migration du cuivre au sein des particules. Cette distribution est visible sur la figure 4D, où Vi se réfère à la porosité des particules du porteur d'oxygène après le test de vieillissement.

L'évolution morphologique du solide porteur d'oxygène selon l'invention (porosité et distribution du cuivre) permet donc d'envisager l'utilisation prolongée de ces particules dans un procédé industriel redox en boucle chimique, notamment en lit fluidisé circulant.