EP3558518A1 - Macroporous oxygen carrier solid with a refractory feldspar/felpdspathoid, method for the preparation thereof, and use thereof in a chemical-looping oxidation-reduction method - Google Patents

Macroporous oxygen carrier solid with a refractory feldspar/felpdspathoid, method for the preparation thereof, and use thereof in a chemical-looping oxidation-reduction method

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EP3558518A1
EP3558518A1 EP17838128.1A EP17838128A EP3558518A1 EP 3558518 A1 EP3558518 A1 EP 3558518A1 EP 17838128 A EP17838128 A EP 17838128A EP 3558518 A1 EP3558518 A1 EP 3558518A1
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EP
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oxygen
particles
solid
zeolite
ceramic matrix
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Application number
EP17838128.1A
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Arnold Lambert
Catherine Laroche
Delphine Marti
Elodie COMTE
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
TotalEnergies Onetech SAS
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Total Raffinage Chimie SAS
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Publication date
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    • Y02E20/34Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to an oxygen carrier solid, its preparation and its use in an oxidation-reduction process in chemical loop on active mass, commonly known as "Chemical Looping" according to the English terminology.
  • the new type of oxygen carrier solid according to the invention can be used in a chemical looping combustion process (Chemical Looping Combustion).
  • Chemical mass-based oxidation-reduction processes are known in the field of energy production, gas turbines, boilers and furnaces, particularly for the oil, glass and cement industry.
  • the production of electricity, heat, hydrogen or steam can be achieved by this type of process, typically the CLC process, implementing oxidation-reduction reactions of an active mass, called mass oxidation reduction, conventionally a metal oxide, to produce a hot gas from a fuel, for example natural gas, carbon monoxide CO, hydrogen H 2 , coals or petroleum residues, a mixture of hydrocarbons, and isolate the carbon dioxide CO2 produced.
  • a fuel for example natural gas, carbon monoxide CO, hydrogen H 2 , coals or petroleum residues, a mixture of hydrocarbons, and isolate the carbon dioxide CO2 produced.
  • a fuel for example natural gas, carbon monoxide CO, hydrogen H 2 , coals or petroleum residues, a mixture of hydrocarbons, and isolate the carbon dioxide CO2 produced.
  • a fuel for example natural gas, carbon monoxide CO, hydrogen H 2 , coals or petroleum residues, a mixture of hydrocarbons, and isolate the carbon dioxide CO2 produced.
  • a second reduction reaction of the oxidized active mass with the aid of a gas, a liquid or a reducing solid (hydrocarbon feedstock) then makes it possible to obtain a reusable active mass and a gaseous mixture comprising essentially CO2 and water, even
  • FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) synthesis gas containing CO and ⁇ 2 , depending on the conditions operated during the reduction step.
  • the energy can be produced in the form of steam or electricity for example.
  • the heat of combustion of the hydrocarbon feedstock is similar to that encountered in conventional combustion. This corresponds to the sum of the heats of reduction and oxidation in the chemical loop.
  • the heat is generally extracted by exchangers located inside, wall or appendage of the fuel and / or air reactors, on the flue lines, or on the transfer lines of the active mass.
  • a major advantage of these oxidation-reduction processes in chemical loop on active mass is then to allow to easily isolate the CO 2 (or synthesis gas) contained in the gaseous mixture without oxygen and nitrogen constituting the effluent from the reduction reactor.
  • Another advantage is the production of a flow of nitrogen N 2 (and argon) containing almost no oxygen, and corresponding to the effluent from the oxidation reactor, when the air is used as oxidizing gas.
  • the CLC process thus provides an attractive solution for C0 2 capture with a view to its sequestration or recovery for other processes, in order to limit the emission of greenhouse gases. greenhouse that is detrimental to the environment.
  • US Pat. No. 5,447,024 for example describes a CLC process comprising a first reactor for reducing an active mass using a reducing gas and a second oxidation reactor for restoring the active mass in its oxidized state by an oxidation reaction with moist air.
  • the circulating fluidized bed technology is used to allow the continuous passage of the active mass of the reduction reactor to the oxidation reactor and vice versa.
  • Patent application WO 2006/123925 describes another implementation of the CLC process using one or more fixed-bed reactors containing the active mass, the redox rings being carried out by permutation of the gases in order to successively carry out the oxidation and reduction of the active mass.
  • the active mass passing alternately from its oxidized form to its reduced form and vice versa, describes an oxidation-reduction cycle. It should be noted that, in general, the terms oxidation and reduction are used in relation to the respectively oxidized or reduced state of the active mass.
  • the oxidation reactor is one in which the active mass is oxidized and the reduction reactor is the reactor in which the active mass is reduced.
  • the active mass usually a metal oxide (M x Oy) is first reduced to the state M x O y 2n-m / 2, via a hydrocarbon C n H m , which is correlatively oxidized to C0 2 and H 2 0, according to reaction (1), or optionally in CO + H 2 mixture according to the nature of the active mass and the proportions used.
  • M x Oy metal oxide
  • M represents a metal
  • the active mass has a role of oxygen carrier in the chemical loop redox process.
  • solid oxygen carrier solid comprising the active mass, typically comprising the metal oxide or oxides capable of exchanging oxygen under the redox conditions of the oxidation-reduction process in a chemical loop.
  • the oxygen carrier solid may further comprise a binder or a support in association with the active mass, in particular to ensure good reversibility of oxidation and reduction reactions, and improve the mechanical strength of the particles.
  • the active masses chosen, for example, from the redox couples of copper, nickel, iron, manganese and / or cobalt, are generally not used in pure form since the successive oxidation / reduction cycles at high temperature lead to a significant and rapid decrease in the oxygen transfer capacity, due to the sintering of the particles.
  • the oxygen carrier solid comprises a NiO / Ni redox couple as an active mass, associated with a YSZ binder which is yttrium-stabilized zirconia, also called yttria zirconia.
  • binders and supports in addition to yttria YSZ zirconia, have been studied in the literature to increase the mechanical strength of particles at a lower cost than YSZ.
  • the effectiveness of the oxidation-reduction process in a chemical loop depends mainly on the physicochemical properties of the oxygen-carrying solid.
  • the lifetime of the particles in the process has a preponderant impact on the operating cost of the process, particularly in the case of circulating fluidized bed process.
  • the attrition rate of the particles makes it necessary to compensate for the loss of oxygen-carrying solid in the form of fines, typically particles of the oxygen-carrying solid with a diameter of less than 40. ⁇ , with new oxygen carrier solid.
  • the rate of renewal of the oxygen-carrying solid therefore strongly depends on the mechanical strength of the particles as well as their chemical stability under the process conditions, which includes many successive oxidation / reduction cycles.
  • the porosity of ilmenite ore particles increases strongly with redox cycles and results in their sputtering, potentially challenging the adequacy of this ore to the process, while early studies on the use of ilmenite concluded at its conclusion. good suitability for the CLC process.
  • the increase in porosity observed by the minute characterization of the particles after the test is concomitant with the migration of ferrous and / or ferric ions by diffusion within the particles. According to the authors, segregation of iron within the particles precedes its migration to the surface, creating the porosity that results in the disaggregation of the particles in the form of fines.
  • the appearance of porosity is the main mechanism for the formation of fine particles during the process, considerably limiting the lifetime of the particles, and therefore the potential value of the ore for the CLC application. Indeed, the estimated lifespan of ilmenite particles is of the order of only 200 hours ("Emerging C0 2 Capture Systems", JC Abanades, B. Arias, A. Lyngfelt, T. Mattisson, DE Wiley, H Li, MT Ho, E. Mangano, S. Brandani, J. Int Greenhouse Gas Control 40 (2015), 126).
  • the attrition phenomenon of the oxygen-carrying solid is thus mainly due to a morphological evolution linked to the consecutive redox cycles experienced by the particles rather than to shocks on the walls and between particles, usually considered as the main source of attrition in fluidized bed processes.
  • the patent application WO 2012/155059 discloses the use of oxygen carrier solids consisting of an active mass (20 to 70% by weight), a primary support material of the ceramic or clay type (5 to 70% by weight). , and a secondary support material (1 to 35% by weight), also of ceramic or clay type.
  • An improved mechanical stability related to the control of the volume expansion is advanced for these solid oxygen carriers. It is explained that a diffusion movement of the iron ions towards the outside of the particles causes the volume expansion of the particles, which leads to embrittlement of the particles.
  • the primary support material would make it possible to disperse the metallic active mass and prevent its agglomeration, preserving the redox activity, whereas the secondary support material would serve to reduce the speed of volume expansion by forming a phase stabilizing solid that would prevent iron migration to the surface.
  • Lyngfelt et al. performed a 1000h test with nickel-based particles (40% NiO / 60% NiAl 2 O 4 ) in a 10kWth circulating fluidized bed plant (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),
  • the present invention aims to overcome the problems of the prior art described above, and generally aims to provide an oxygen carrier solid for a chemical loop redox process which has a long life when its use in the process, in particular to reduce investment costs and / or operation for such processes.
  • the present invention provides, in a first aspect, a particulate oxygen carrier solid for a method of combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido.
  • chemical loop reduction comprising: an oxidation-reduction active mass constituting between 5% and 75% by weight of the oxygen-carrying solid, the oxidation-reduction active mass comprising a metal oxide or a mixture of metal oxides and being capable of carrying oxygen in the chemical-loop oxidation-reduction combustion process;
  • a ceramic matrix in which the oxidation-reduction active mass is dispersed the ceramic matrix constituting between 25% and 95% by weight of the oxygen-carrying solid, and the ceramic matrix comprising between 60% and 100%; % by weight of at least one feldspar or feldspathoid having a melting temperature above 1500 ° C and between 0% and 40% of at least one oxide;
  • a porosity such that: the total pore volume of the oxygen-carrying solid, measured by mercury porosimetry, is between 0.05 and 0.9 ml / g,
  • the pore volume of the macropores constitutes at least 10% of the total pore volume of the oxygen-carrying solid
  • the size distribution of the macropores within the oxygen carrier solid, measured by mercury porosimetry, is between 50 nm and 7 ⁇ .
  • the total pore volume of the oxygen-carrying solid is between 0.1 and 0.5 ml / g.
  • the total pore volume of macropores constituting macropores constitutes at least 50% of the pore volume at least 50% of the pore volume of the oxygen-bearing solid.
  • the size distribution of the macropores within the oxygen-carrying solid is between 50 nm and 4 ⁇ .
  • the oxidation-reduction active mass preferably comprises at least one metal oxide included in the list consisting of Fe, Cu, Ni, Mn and / or Co oxides, a perovskite with redox properties, preferably a perovskite of formula CaMnO 3 , a metal aluminate spinel having redox properties, preferably a metal aluminate spinel of formula CuAl 2 O 4 or a Cuprospinelle of formula CuFe 2 O 4 .
  • the oxidation-reduction active mass comprises at least one copper oxide.
  • said at least one feldspar or feldspathoid has a melting temperature greater than 1700 ° C.
  • said at least one feldspar or feldspathoid of the ceramic matrix is a feldspar chosen from the list consisting of celsiane, slawsonite, anorthite, or a feldspathoid being kalsilite, and is preferably celsiane.
  • Said at least one oxide of the ceramic matrix may be chosen from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites and zirconia.
  • the particles have a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 ⁇ and 600 ⁇ .
  • the invention relates to a process for preparing the oxygen-carrying solid according to the invention, comprising the following steps:
  • a1) the preparation of a macroporous zeolite material, the macroporous zeolite material comprising zeolite crystals with a mean diameter of less than or equal to 3 ⁇ , and preferably a number-average diameter of between 0.4 ⁇ and 2 ⁇ ; and
  • step (C) forming particles of the precursor of the ceramic matrix during step (a1) or at the end of step (B); (D) drying the precursor of the impregnated ceramic matrix in particle form obtained at the end of all of the steps (A), (B) and (C); and
  • step (E) calcining the precursor of the impregnated and dried ceramic matrix obtained in step (D) to obtain the particulate oxygen carrier solid.
  • step a1) comprises: - a'1) agglomeration of the zeolite crystals with a clay binder to form a zeolite agglomerate;
  • step a'2 the shaping of the zeolite agglomerate obtained in step a'1) to produce particles, followed by drying of said particles, and possibly followed by a sieving and / or cycloning step ; - a'3) calcining the particles of the zeolite agglomerate obtained in step a'2) at a temperature between 500 ° C and 600 ° C to produce the macroporous zeolite material in particulate form;
  • step a'4 optionally the zeolitization of the clay binder by contacting the product resulting from step a'3) with an alkaline basic aqueous solution, followed by washing.
  • the zeolitic crystals comprise at least one zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, preferably zeolitic crystals comprising at least one zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT. EMT low-silica having a Si / Al ratio of between 1.0 and 1.4.
  • the cation exchange in step a2) is carried out with a solution comprising alkaline ions, preferably K +, or alkaline earth ions, and preferably with a solution comprising alkaline earth ions.
  • the cationic exchange in step a2) is carried out with a solution comprising ions chosen from Ba 2+ , Sr 2 " -, Ca 2+ ions, and preferably with a solution containing Ba 2+ ions. .
  • step (A) further comprises a heat treatment step a3) of the macroporous zeolite material obtained in step a2), the heat treatment comprising a drying step at a temperature of between 100 ° C. and 400 ° C.
  • step (C) the precursor of the ceramic matrix is placed in the form of particles having a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 ⁇ and 600 ⁇ .
  • the impregnation in step (B) is carried out with an aqueous or organic solution containing at least one soluble precursor compound of copper, nickel, cobalt, iron or manganese, preferably with a aqueous solution containing at least one precursor compound of the oxidation-reduction active mass chosen from the list consisting of the nitrates of the following formulas: Cu (N0 3 ) 2.xH 2 0, Ni (N0 3 ) 2 .xH 2 0 , Co (NO 3 ) 2 .xH 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .xH 2 O, Mn (NO 3 ) 2 ⁇ xH 2 0.
  • the impregnation in step (B) can be carried out in one or more successive stages, and preferably comprises intermediate stages of drying at a temperature of between 30 ° C. and 200 ° C. and / or calcination at a temperature of between between 200 ° C and 600 ° C when the impregnation is carried out in several successive stages.
  • the drying in step (D) is carried out in air or in a controlled atmosphere, at a temperature between 30 ° C and 200 ° C, and preferably in air at a temperature between 100 ° C and 150 ° C.
  • the calcination in step (E) is carried out under air between 450 ° C. and 1400 ° C., preferably between 600 ° C. and 1000 ° C., more preferably between 700 ° C. and 900 ° C, and is carried out for a period of 1 to 24 hours, and preferably for a period of 5 to 15 hours.
  • the zeolite crystals are mixed with at least one oxide selected from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia, and / or a pore-forming agent intended to increase the macroporosity of the macroporous zeolite material.
  • the invention relates to a method of combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido-reduction in a chemical loop using an oxygen carrier solid according to the invention or prepared according to the preparation method according to the invention.
  • the invention relates to a CLC process, preferably in which the oxygen carrier solid circulates between at least one reduction zone and an oxidation zone both operating in a fluidized bed, the temperature in the reduction zone. and in the oxidation zone being between 400 ° C and 1400 ° C, preferably between 600 ° C and 1100 ° C, and more preferably between 800 ° C and 1100 ° C.
  • FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D relate to an oxygen carrier solid according to Example 2 (example not in accordance with the invention).
  • FIG. 1A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid.
  • Fig. 1B is a diagram showing the conversion of methane as a function of oxidation-reduction cycles in a CLC process using the oxygen-carrying solid.
  • Fig. 1C is a diagram showing the particle size distribution of the oxygen carrier solid before and after its use in a CLC process.
  • Figure 1D is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a polished section of a sample of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
  • SEM scanning electron microscope
  • FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D relate to an oxygen carrier solid according to Example 3 (example not in accordance with the invention).
  • Fig. 2A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid.
  • Figure 2B is a diagram showing the conversion of methane versus oxidation-reduction cycles in a CLC process using the oxygen-carrying solid.
  • FIG. 2C shows in (a) a SEM image and (b) an energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) mapping of the oxygen-carrying solid prior to its use in a CLC process.
  • Figure 2D is a SEM image of a polished section of a sample of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
  • EDX energy dispersive X-ray spectrometry
  • FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D and 3E relate to an oxygen carrier solid according to Example 4 (example according to the invention).
  • FIG. 3A is a diffractogram obtained by X-ray diffractometry (XRD) of the oxygen carrier solid.
  • Figure 3B shows in (a) a SEM backscattered electron micrograph and (b) an EDX mapping of a polished section of the oxygen carrier solid prior to its use in a CLC process.
  • FIG. 3C is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid.
  • FIG. 3D represents in (a) a SEM backscattered electron micrograph and (b) an EDX mapping of a polished section of the oxygen carrier solid after its use in a CLC process.
  • Figure 3E is a SEM image of a polished section of a sample of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
  • FIGS. 4A, 4B and 4C relate to an oxygen-carrying solid according to Example 5 (example not in accordance with the invention).
  • FIG. 4A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid.
  • Figure 4B shows a SEM picture of the oxygen-carrying solid prior to its use in a CLC process.
  • FIG. 4C shows in (a) a SEM backscattered electron micrograph and (b) an EDX mapping of a polished section of the oxygen carrier solid after its use in a CLC process.
  • FIGS. 5A, 5B and 5C relate to an oxygen carrier solid according to Example 6 (example not in accordance with the invention).
  • FIG. 5A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid.
  • Figure 5B shows a polished section SEM of the oxygen-carrying solid prior to its use in a CLC process.
  • Figure 5C shows a polished section SEM of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
  • FIGS. 6A and 6B relate to an oxygen carrier solid according to Example 7 (example according to the invention).
  • Fig. 6A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid.
  • Figure 6B shows a polished section SEM of the oxygen carrier solid prior to use in a CLC process.
  • the object of the invention is to propose an oxygen-carrying solid for a chemical-loop oxidation-reduction process, such as a CLC process, but also for other active mass chemical loop oxidation reduction methods such as a chemical loop reforming process (CLR with reference to the term “Chemical Looping Reforming”) or a method of CLOU (with reference to the expression “Chemical Looping Oxygen Uncoupling ").
  • CLR chemical loop reforming
  • CLOU with reference to the expression "Chemical Looping Oxygen Uncoupling”
  • the present invention also relates to the preparation and use of the oxygen-carrying solid in such processes.
  • the CLC processes generally use two separate reactors to perform on the one hand in a reduction reactor, the reduction of the active mass by means of a fuel, or more generally a gas, liquid or reducing solid.
  • the effluents from the reduction reactor mainly contain CO 2 and water, allowing easy capture of CO 2 .
  • the oxidation reactor the restoration of the active mass to its oxidized state by contact with air or any other oxidizing gas makes it possible to correlatively generate a hot energy vector effluent and a nitrogen stream. poor or free of nitrogen (where air is used).
  • oxygen carrier solid in a circulating fluidized bed CLC process
  • oxygen carrier solid according to the invention can also be used in any other type of process.
  • chemical loop reduction CLC, CLR, CLOU
  • CLC, CLR, CLOU chemical loop reduction
  • the oxygen carrier comprises: an oxidation-reduction active mass constituting between 5% and 75% by weight of the oxygen-carrying solid, preferably between 10% and 40% by weight, the oxidation-reduction active mass comprising a metal oxide or a mixture of metal oxides and being capable of exchanging oxygen under the redox conditions of said chemical loop-redox process; a ceramic matrix in which is dispersed the oxidation-reduction active mass, the ceramic matrix constituting between 25% and 95% by weight of the oxygen-carrying solid, preferably between 60% and 90% by weight, and the ceramic matrix comprising between 60% and 100% by weight, and preferably between 80% and 100% by weight, of at least one tectosilicate having a melting temperature above 1500 ° C, and preferably a melting temperature above 1700 ° C, and between 0% and 40% by weight of at least one oxide, of preferably between 0% and 20% by weight of at least one oxide.
  • the ceramic matrix consists essentially of at least one tectosilicate having a melting point greater than 1500 ° C., and preferably a melting temperature greater than 1700 ° C. Essentially constituted is understood to comprise 100% of said tectosilicate, to 1%.
  • the oxygen-carrying solid according to the invention has a particular porosity. which, unexpectedly, makes it possible to limit the migration phenomenon of the active mass within the oxygen carrier particles.
  • This initial texture significantly improves the lifetime of the particles in the chemical loop combustion process and is characterized in that: the total pore volume of the oxygen carrier solid Vtot, measured by mercury porosimetry, is between 0 , 05 and 0.9 ml / g; the total pore volume Vtot of the oxygen carrier solid comprises at least 10% of macropores.
  • the pore volume of the macropores constitutes at least 10% of the total pore volume Vtot of the oxygen-carrying solid; the size distribution of the macropores within the oxygen carrier solid, measured by mercury porosimetry, is between 50 nm and 7 ⁇ .
  • initial texture is meant the texture prior to any use in a chemical loop-redox process such as CLC.
  • the total pore volume of the solid is measured by mercury porosimetry, more precisely the measurement relates to the volume of mercury injected when the pressure exerted increases from 0.22 MPa to 413 MPa.
  • the total pore volume Vtot of the oxygen-carrying solid is preferably between 0.1 and 0.5 ml / g, and preferably between 0.1 and 0.4 ml / g.
  • the total pore volume Vtot of the particles is constituted for at least 50% by macropores.
  • the pore volume of the macropores constitutes at least 50% of the total pore volume Vtot of the oxygen-carrying solid.
  • the remainder of the total pore volume may be indifferently constituted by microporosity or mesoporosity in any proportion whatsoever.
  • the size distribution of the macropores within the particles is more preferably between 50 nm and 4 ⁇ , and even more preferably between 200 nm and 1 ⁇ .
  • the ceramic matrix comprises at least one tectosilicate which is preferably a feldspar or a feldspathoid, and can be formed solely by such a tectosilicate.
  • Tectosilicates are silicates whose arrangement of [Si0 4 ] 4 " tetrahedra is made up of a three-dimensional framework where each oxygen of the tops of the tetrahedra is shared with the neighboring tetrahedrons.
  • [Si0 4 ] 4" base tetrahedra that we find in all silicates are welded by their four vertices and each oxygen is bound to two cations.
  • Feldspathoids are tectosilicates with a high silica deficit.
  • the ceramic matrix comprises at least one feldspar selected from the list consisting of celsiana, slawsonite, anorthite, or feldspathoid, kalsilite.
  • the ceramic matrix consists essentially of at least one feldspar selected from the list consisting of the celsian, the slawsonite, anorthite.
  • Feldspars containing alkaline earth cations (Ca 2+, Si 2 * and Ba 2+), such as celsian, the slawsonite, anorthite, have mechanical, thermal and electrical interesting.
  • their coefficient of thermal expansion is very low, for example of 2.29 ⁇ 10 -6 K -1 for the monoclinic celsiane, which makes it possible to limit the mechanical stresses of deformation for use at high temperature, in particular in high temperature processes.
  • the ceramic matrix comprises celsiane.
  • the ceramic matrix consists essentially of celsiane.
  • Celsiane is a feldspar which advantageously has a high mechanical strength and a very low coefficient of thermal expansion. It also has a high melting point (1760 ° C).
  • Table 1 below lists the feldspars and feldspathoids mentioned that can make up the ceramic matrix, as well as examples of other feldspathoids whose melting point is below 1500 ° C.
  • the ceramic matrix of the solid carrier of oxygen according to the invention may also consist of a mixture of one or more tectosilicates and other oxides typically used as supports for catalysts in petroleum refining processes.
  • the ceramic matrix may comprise at least one oxide chosen from the list constituted by alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminum silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia.
  • oxide covers a mixed oxide, that is to say a solid resulting from the combination of oxide ions O 2 " with at least two cationic elements (for example calcium aluminate CaAl 2 0 4 or magnesium aluminate MgAl 2 0 4 )
  • mixing oxides is meant at least two distinct solid compounds each being an oxide.
  • the ceramic matrix is obtained from a precursor based on zeolite.
  • Zeolites are crystallized microporous solids of the family of aluminosilicates that can be found frequently in nature. These materials can also be synthesized, such as frequently for use as adsorbents or catalysts in the chemical industry. Zeolites have three-dimensional structures formed by the arrangement of [Si0 4 ] 4 ⁇ and [Al0 4 ] 5 ⁇ tetrahedra bonded by bridging oxygen atoms. The electroneutrality of the assembly is ensured by the presence of one or more exchangeable compensation cations.
  • the general formula of a zeolite is M x / m Al x S 9 2-x 0 3 e 4 , y H 2 0 with M m + the extra-network charge cation + m.
  • celsiane can be obtained from a zeolite exchanged with barium.
  • a high temperature treatment that is to say higher than 1000 ° C, causes the formation of celsiane, according to the following sequence: zeolite ⁇ amorphous phase ⁇ hexagonal celsiane ⁇ monoclinic celsiane.
  • the formation of monoclinic celsiane from pure BaX ("BaX" for zeolite X exchanged with barium) requires a heat treatment of 24 ° to 1550 ° C. (S. Esposito et al., A comparative study of the thermal transformations of Ba-exchanged zeolites A, X and LSX, J.
  • the oxygen carrier solid according to the invention is prepared from various zeolites of low Si / Al ratio, impregnated with a precursor of an oxidation-reduction active mass, typically a metal nitrate, which decompose by calcination, preferably in air and at a temperature of between 450 ° C. and 1400 ° C., to form the oxidation-reduction active mass (eg a metal nitrate oxide) dispersed in a ceramic matrix composed of tectosilicates or mixtures of tectosilicates, depending on the nature of the cation or cation mixture in the zeolite cages and the Si / Al ratio of the zeolite.
  • a precursor of an oxidation-reduction active mass typically a metal nitrate, which decompose by calcination, preferably in air and at a temperature of between 450 ° C. and 1400 ° C.
  • the melting temperature of the ceramic matrix depends on the nature of the cation M m + , the Si / Al ratio and the arrangement of the tetrahedra in the crystallographic phase.
  • the preparation of the oxygen carrier solid according to the invention is detailed later in the description.
  • the oxygen-carrying solid according to the invention comprises an oxidation-reduction active mass which comprises, and preferably consists of, at least one metal oxide included in the list consisting of Fe, Cu, Ni and Mn oxides. and Co, a perovskite having redox properties, preferably a perovskite of formula CaMnO 3 , a metal aluminate spinel having redox properties, preferably a metal aluminate spinel of formula CuAl 2 O 4 or of formula CuFe 2 4 .
  • the spinel of formula CuFe 2 O 4 is a cuprospinelle.
  • the oxidation-reduction active mass comprises at least one copper oxide, for example of formula CuO, and is more preferably constituted by at least one copper oxide, for example of formula CuO.
  • the oxygen-carrying solid advantageously has a dispersed active mass within the ceramic matrix, typically an initial distribution of the relatively homogeneous active mass, and the migration of the active mass within the particles of the solid carrier. Oxygen is minimized during the redox cycles of the chemical-loop oxidation-reduction process as exemplified by some examples later in the description.
  • the oxido-reducing active mass is capable of exchanging oxygen under the redox conditions of the chemical loop redox process.
  • the active mass is reduced according to the reaction (1) already described above, during a contact reduction step a hydrocarbon feedstock, and is oxidized according to the reaction (2) or (3) already described above, during an oxidation step in contact with an oxidizing gas.
  • the oxygen storage capacity of the oxido-reducing active mass is advantageously, depending on the type of material, between 1% and 15% by weight.
  • the amount of oxygen effectively transferred by the metal oxide is between 1 and 3% by weight, which makes it possible to use only a fraction of the oxygen transfer capacity.
  • the oxygen carrier solid according to the invention is preferably in the form of particles, which can be fluidized in the oxidation-reduction process in a chemical loop, in particular be implemented in a circulating fluidized bed.
  • They may be fluidizable particles (fluidizable powder, generally called “fluidisable carrier” in English) belonging to groups A, B or C of the Geldart classification (D. Geldart, "Types of gas fluidization", Powder Technol. (5), 285-292, 1973), and preferably the particles belong to group A or group B of the Geldart classification, and preferably to group B of the Geldart classification.
  • the particles of the oxygen-carrying solid have a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 ⁇ and 600 ⁇ , more preferably a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 80 ⁇ and 400 ⁇ , more preferably a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 100 ⁇ and 300 ⁇ , and even more preferably a particle size such that more than 95% of the particles have a size between 100 ⁇ and 300 ⁇ .
  • the particles of the oxygen-carrying solid have a grain density of between 500 kg / m 3 and 5000 kg / m 3 , preferably a grain density of between 800 kg / m 3 and 4000 kg / m 3 , and even more preferably a grain density of between 1000 kg / m 3 and 3000 kg / m 3 .
  • the particles of the oxygen-bearing solid are preferably substantially spherical.
  • Size distribution and morphology of particles for use in another type of chemical loop process (CLC, CLR, CLOU) in fixed bed, moving bed or rotating reactor are adapted to the envisaged process.
  • the preferred size of the particles is greater than 400 ⁇ , in order to minimize the pressure losses.
  • the morphology of the particles is not necessarily spherical.
  • the morphology is dependent on the shaping mode, for example in the form of extrudates, beads, monoliths or particles of any geometry obtained by grinding larger particles.
  • the solid carrier of oxygen in the form of particles, is deposited on the surface of the ceramic monolith channels by the coating methods known to those skilled in the art. or the monolith itself consists of the particles according to the invention.
  • Particle size can be measured by laser particle size.
  • the size distribution of the particles is preferably measured using a laser granulometer, for example Malvern Mastersizer 3000, preferably in a liquid path, and using the Fraunhofer theory.
  • a laser granulometer for example Malvern Mastersizer 3000, preferably in a liquid path, and using the Fraunhofer theory.
  • Step (A): Preparation of a Precursor of a Ceramic Matrix Step (A) comprises: - a1) the preparation of a macroporous zeolite material said material comprising zeolite crystals with a mean diameter of less than or equal to 3 ⁇ , and preferably a number-average diameter of between 0.4 ⁇ and 2 ⁇ , and even more preferably a number-average diameter of between 0 , 5 ⁇ and 1, 7 ⁇ ; and - a2) a cationic exchange of said macroporous zeolite material with a solution of precursor ions, the precursor ions being chosen to form a tectosilicate with a melting point> 1500 ° C. of the ceramic matrix at the end of step (D ), said cation exchange being followed by a washing of said macroporous zeolite material to obtain said precursor of the ceramic matrix.
  • step a1) for preparing a macroporous zeolite material comprises the following steps:
  • step a'2 the shaping of the zeolite agglomerate obtained in step a'1) to produce particles, followed by drying of said particles, and possibly followed by a sieving and / or cycloning step ;
  • step a'3 calcination of the zeolite agglomerate particles obtained in step a'2) at a temperature between 500 ° C and 600 ° C to produce the macroporous zeolite material in particulate form.
  • the particles produced have sufficient mechanical strength for their subsequent use;
  • step a'4 optionally the zeolitization of the clay binder by contacting the product resulting from step a'3) with an alkaline basic aqueous solution, followed by washing.
  • the clay binder is an agglomeration binder intended to ensure the cohesion of the crystals in the form of particles. This binder can also contribute to imparting mechanical resistance to the particles so that they can withstand the mechanical stresses to which they are subjected during their implementation within the chemical loop redox units.
  • the proportions of agglomeration binder and zeolite employed can be typically from 5 parts to 20 parts by weight of binder per 95 parts to 80 parts by weight of zeolite.
  • the zeolite crystals may be mixed with at least one oxide selected from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminum silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia.
  • alumina metal aluminates
  • silica silicates
  • aluminum silicates aluminum silicates
  • aluminosilicates titanium dioxide, perovskites, zirconia.
  • such an oxide may be formed, in the desired quantities, at the end of the treatments of the zeolite agglomerate and the precursor of the ceramic matrix, without adding said oxide to the zeolite crystals during step (A). ).
  • step a1) it is also possible to mix the zeolite crystals with a pore-forming agent intended to increase the macroporosity of the macroporous zeolite material.
  • step a1) it is also possible to mix the zeolite crystals with at least one of the abovementioned oxides and with a pore-forming agent.
  • step a1) other additives may also be used, intended to facilitate the agglomeration and / or to improve the hardening and / or increase the macroporosity of the agglomerates formed.
  • the zeolitic crystals comprise at least one zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, and preferably at least one zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT.
  • X zeolites are of structural type FAU and Si / Al ratio of between 1 and 1.5, as is the case for the LSX zeolite (Low Silica X).
  • the low-silica EMT zeolites are of structural type EMT and Si / Al ratio of between 1.0 and 1.4 (Mintova et al., Chem Mater 24, 4758-4765, 2012, and Science, Jan.
  • the zeolite crystals A, X, LSX and low-silica EMT can be derived from synthesis and the compensating cations are mainly, or even exclusively, sodium cations (for example NaX (or 13X), NaA (or 4A) crystals), but it is not beyond the scope of the invention using crystals having undergone one or more cationic exchanges, between the synthesis in sodium form and their implementation in step a1).
  • the estimation of the number average diameter of the zeolite X crystals used in step a1) and the zeolite X crystals contained in the agglomerates is preferably carried out by observation under a scanning electron microscope (SEM) or by observation under an electron microscope in transmission (MET).
  • a set of images is carried out at a magnification of at least 5000.
  • the diameter of at least 200 crystals is then measured using dedicated software. for example the Smile View software from the LoGraMi editor.
  • the accuracy is of the order of 3%.
  • the optional step a'4) of zeolitization of the clay binder makes it possible to convert all or part of the binder into zeolite, preferably into zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, and preferably zeolite A , X, LSX or low-silica EMT, in order to obtain a macroporous zeolite material consisting essentially of zeolite, the non-zeolite phase being typically in an amount of less than 5%, and corresponding to non-zeolite residual binder or any other amorphous phase after zeolitization, while maintaining or even improving the mechanical strength of the macroporous zeolite material, as taught by patents FR 2 903 978 and FR 2 925 366.
  • the clay agglomeration binder used in step a '1) comprises, and preferably consists of, a clay or a mixture of clays, to which a source of silica may be added.
  • These clays are preferably chosen from kaolins, kaolinites, nacrites, dickites, halloysites, attapulgites, sepiolites, montmorillonites, bentonites, illites and metakaolins, as well as mixtures of two or more of them in all proportions.
  • the clay agglomeration binder used in step a'1) contains at least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95% more particularly at least 96% by weight of zeolitizable clay and may also contain other minerals such as bentonite, attapulgite, and the like.
  • zeolitic clay is meant a clay or a mixture of clays which are capable of being converted into zeolite material, most often by the action of an alkaline basic solution.
  • Zeolizable clay generally belongs to the family of kaolin, kaolinite, nacrite, dickite, halloysite and / or metakaolin. Kaolin is preferred and most commonly used.
  • step a'3 After drying in step a'2), the calcination in step a'3) is carried out at a temperature in general of between 500 ° C. and 600 ° C., for example at 550 ° C., and makes it possible to transform zeolitic clay, typically kaolin, in meta-kaolin which can after being converted to zeolite during the optional zeolitization step (step a'4)).
  • zeolitic clay typically kaolin
  • meta-kaolin which can after being converted to zeolite during the optional zeolitization step (step a'4).
  • the principle is exposed in "Zeolite Molecular Sieves" by DW Breck, John Wiley and Sons, New York, (1973), p. 314-315.
  • the zeolitization of the agglomeration binder is carried out according to any method now well known to those skilled in the art and may for example be carried out by immersion of the product of step a'3) in an alkaline basic solution, generally aqueous, by an aqueous solution of sodium hydroxide and / or potassium hydroxide.
  • the macroporous zeolite material contains alkaline or alkaline earth cations, and more generally sodium and / or potassium cations.
  • the macroporous zeolite material at the end of step a1) can also be obtained, alternatively with the succession of steps a'1) to a'4) described above, by any alternative method leading to zeolite particles, and in particular by the method described in US Pat. No. 4,818,508 starting from agglomerates of zeolitic clay subjected to zeolitization by the action of an alkaline basic solution.
  • the cationic exchange (step a2) can be carried out with a solution comprising alkaline ions, preferably K + , or alkaline earth ions, and preferably with a solution comprising alkaline earth ions.
  • Step a2) of cationic exchange of the zeolite is carried out by contacting the macroporous zeolite material resulting from step a1), in particular the macroporous zeolite material in the form of particles resulting from step a'3) or a'4), with an alkali or alkaline earth metal salt, such as BaCl 2 , in aqueous solution, preferably at a temperature between room temperature and 100 ° C, and preferably at a temperature between 80 ° C and 100 ° C.
  • an exchange rate in cation eg barium, high, ie greater than 90%, it is preferred to operate with a large excess of the cation exchange with respect to the cations of the zeolite that is to be exchanged.
  • step a2) The chemical analysis of the precursor of the ceramic matrix resulting from step a2) or zeolite crystals used in step a1) is carried out according to conventional techniques, in particular by X-ray fluorescence as described in standard NF EN ISO 12677: 201 1 on a wavelength dispersive spectrometer (WDXRF), for example Tiger S8 from Bruker, or by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES for Inductively Coupled Plasma-Optical Spectroscopy emission according to the English terminology) according to the UOP 961-12 standard.
  • WDXRF wavelength dispersive spectrometer
  • ICP-OES Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry
  • the cationic exchange of zeolites can be done without destroying the zeolite structure.
  • the precursor of the ceramic matrix obtained at the end of the optional thermal treatment step a3) can be totally or partially amorphous, in particular in the case where the zeolite A is used in step a1), or when the temperature of the heat treatment of step a3) is too high to maintain the zeolite structure.
  • the preparation of the precursor of the ceramic matrix during step (A) may further comprise an additional step a3) of heat treatment of the macroporous zeolite material obtained in step a2). This heat treatment comprises a drying step at a temperature of between 100 ° C. and 400 ° C.
  • the precursor of the ceramic matrix obtained in step (A) is impregnated with a precursor compound of an oxidation-reduction active mass.
  • the impregnation may be carried out with an aqueous or organic solution containing at least one soluble precursor compound of copper, nickel, cobalt, iron or manganese.
  • the impregnation is carried out with an aqueous solution containing at least one precursor compound of the oxidation-reduction active mass chosen from the list consisting of the nitrates of the following formulas: Cu (N0 3 ) 2.xH 2 0, Ni (N0 3 ) 2 .xH 2 O, Co (NO 3 ) 2.xH 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .xH 2 O, Mn (NO 3 ) 2 .xH 2 0.
  • the copper nitrate of Copper Cu (N0 3 ) 2 .xH 2 0 is chosen to carry out this impregnation, in order to obtain an oxido-reducing active mass of copper oxide (s), for example a copper oxide of formula CuO, to form the solid carrier of oxygen.
  • the amount of precursor of the oxidation-reduction active mass used for the impregnation stage is chosen so that the active redox mass constitutes between 5% and 75% by weight of the solid carrier substance. oxygen.
  • the impregnation can be carried out in one or more successive stages.
  • the precursor of the ceramic matrix is formed into particles during step (a1) or after step (B).
  • step a1) has been described above.
  • step a'2) the shaping is followed by a drying of the particles, which is optionally followed by a sieving and / or cycloning step.
  • the precursor of the ceramic matrix is shaped so as to obtain particles having a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 100 ⁇ and 500 ⁇ . If a circulating fluidized bed implementation is envisaged for the chemical loop oxidation-reduction process using the oxygen-carrying solid, it will be preferred to perform a shaping so as to obtain a size distribution of the particles of the zeolite agglomerate, or precursor of the ceramic matrix from step (B), such that said particles belong to class A or class B of the Geldart classification.
  • the shaping is carried out so as to produce particles having the following particle size: more than 90% of the particles have a size of between 100 ⁇ and 500 ⁇ , and a grain density of between 500 kg / m 3 and 5000 kg / m 3 .
  • the shaping is carried out so as to produce particles of the following particle size: more than 90% of the particles have a size of between 100 ⁇ and 300 ⁇ , and a grain density of between 800 kg / m 3 and 4000 kg / m 3 .
  • the shaping is carried out so as to produce particles having the following particle size: more than 95% of the particles have a size of between 100 ⁇ and 300 ⁇ , and a grain density of between 1000 kg / m 3 and 3000 kg / m 3 .
  • the shaping which can directly follow the agglomeration stage a '1), can be carried out by any techniques known to those skilled in the art, such as extrusion, compaction, agglomeration on a granulating plate. , granulator drum, wet or dry granulation, etc., and preferably by granulation or any other technique making it possible to obtain particles of spherical shape.
  • the shaping may optionally comprise a sieving and / or cycloning step, in order to obtain agglomerates of the desired particle size.
  • the precursor of the impregnated ceramic matrix in the form of particles obtained at the end of all of the steps (A), (B) and (C) is subjected to a drying step.
  • This drying is preferably carried out in air or in a controlled atmosphere (controlled relative humidity, under nitrogen), at a temperature of between 30 ° C. and 200 ° C.
  • controlled atmosphere is meant for example with a controlled relative humidity or under nitrogen.
  • the drying is carried out in air at a temperature of between 100 ° C. and 150 ° C.
  • the precursor of the impregnated and dried ceramic matrix obtained in step (D) is calcined to obtain the particulate oxygen carrier solid.
  • This calcination is preferably carried out in air between 450 ° C. and 1400 ° C., more preferably between 600 ° C. and 1000 ° C., and even more preferably between 700 ° C. and 900 ° C.
  • This calcination can be carried out for a period of 1 to 24 hours, and preferably for a period of 5 to 15 hours.
  • a ramp for increasing the temperature between 1 ° C./min and 50 ° C./min, and preferably between 5 ° C./min and 20 ° C./min, is applied to reach the given calcination temperature.
  • the time to implement this temperature ramp is not included in the calcination time ranges indicated above.
  • the calcination enables the formation of the tectosilicate (s) of the solid ceramic matrix carrying oxygen in the form of particles, a matrix in which the redox active mass is dispersed.
  • the calcination step (E) has a limited impact on the initial macroporous structure of the particles, and all the more limited when the calcination is carried out at a temperature between 700 ° C and 900 ° C. A small increase in macropore diameter and a small decrease in total pore volume can be observed.
  • the preparation of an oxygen carrier of formula CuO / BaAl 2 Si 2 O 8 according to the invention is carried out according to the following steps: Firstly, step (A) of preparation of a precursor of a ceramic matrix of celsiana in the form of particles.
  • the precursor of the ceramic matrix BaAl 2 Si 2 O 8 is a macroporous zeolite agglomerate consisting essentially of zeolite with a low Si / Al atomic ratio, that is to say with an Si / Al ratio of less than 1.5 (and greater than 1).
  • the zeolitic crystals may comprise a zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT, alone or as a mixture.
  • the zeolites of the agglomerate are exchanged with barium.
  • the precursor of the BaAl 2 Si 2 O 8 ceramic matrix is prepared according to the following steps: a1) the preparation of a macroporous zeolite material comprising an agglomeration of zeolite crystals with an Si / Al atomic ratio of between 1.00 and 1, 50, by example of zeolite A, X, LSX, low-silica EMT, alone or as a mixture, with a mean diameter less than or equal to 3 ⁇ , preferably between 0.4 ⁇ and 2 ⁇ , and preferably between 0 , 5 ⁇ and 1, 7 ⁇ , with a binder based on a clay or a mixture of clays (step a'1), and a shaping to form particles, then a drying of the particles (step a'2), followed by calcination
  • step a'3 A possible zeolitization of the clay binder by the action of an alkaline basic solution can be carried out (step a'4).
  • the shaping in the form of particles is carried out subsequently, after the impregnation step (B); a2) the cationic exchange of the particles of the macroporous zeolite material resulting from step a1) by contacting with a solution of barium ions, followed by washing of the product thus treated.
  • the barium exchange of the cations of the zeolite is carried out by contacting the macroporous zeolite material from step a1), in particular the macroporous zeolite material in particulate form resulting from step a'3) or 4), with a barium salt, such as BaCl 2 , in aqueous solution at a temperature between room temperature and 100 ° C, and preferably between 80 ° C and 100 ° C.
  • a barium salt such as BaCl 2
  • 0 3 is of the order of 10 to 12 by proceeding by successive exchanges.
  • the degree of exchange by the barium ions is determined by the ratio between the number of moles of barium oxide, BaO, and the number of moles of all the oxides of alkaline and alkaline-earth ions (typically the number of moles of BaO + K 2 O + Na 2 O).
  • the barium exchange of zeolites X, LSX, or A or low-silica EMT, is done without destruction of the zeolite structure.
  • the precursor of the ceramic matrix obtained at the end of this step a3) may be totally or partially amorphous, especially in the case where zeolite A is used in step a1).
  • step (B) is carried out for impregnating the precursor of the ceramic celsiane matrix: the precursor of the ceramic matrix, preferably shaped according to step (C) already described, is impregnated with an aqueous solution or organic containing at least one soluble precursor of copper, nickel, cobalt, iron and / or manganese, as described in detail above.
  • drying step (D) of the precursor of the ceramic matrix of celsiana impregnated in the form of particles is carried out.
  • This drying step is in accordance with what has been described generally above.
  • step (E) is carried out with particles from step (D), in order to form the oxygen carrier comprising a celsiana matrix BaAl 2 Si 2 0 8 within from which is dispersed the active mass of CuO oxidation reduction, and having the specific porous texture described above. It appears that the impregnation of zeolite shaped and exchanged by barium, by one or more metal precursors of the active redox active mass, such as precursors of Cu, Ni, Co, Fe and / or Mg does not modify the transformation sequence of the zeolite structure mentioned by Esposito et al. 2004, but phase transition temperatures are lowered.
  • the oxygen-carrying solid is intended to be used in a chemical loop-redox process.
  • the invention thus relates to a chemical loop redox process using the oxygen carrier solid as described, or prepared according to the method of preparation as described.
  • the oxygen-bearing solid described is used in a CLC process of a hydrocarbon feedstock, in which the oxygen-carrying solid is in the form of particles and circulates between at least one reduction zone and an oxidation zone all operating both in a fluidized bed.
  • the temperature in the reduction zone and in the oxidation zone is between 400 ° C. and 1400 ° C., and preferably between 600 ° C. and 1100 ° C., and even more preferentially between 800 ° C. and 1100 ° C. ° C.
  • the hydrocarbon feedstock treated can be a solid, liquid or gaseous hydrocarbon feedstock: gaseous fuels (eg natural gas, syngas, biogas), liquids (eg fuel oil, bitumen, diesel, gasoline, etc.), or solids (ex. : coal, coke, pet-coke, biomass, oil sands, etc.).
  • gaseous fuels eg natural gas, syngas, biogas
  • liquids eg fuel oil, bitumen, diesel, gasoline, etc.
  • solids e. : coal, coke, pet-coke, biomass, oil sands, etc.
  • the operating principle of the CLC process in which the oxygen-bearing solid described is used is as follows: a reduced oxygen-carrying solid is brought into contact with an air flow, or any other oxidizing gas, in a zone reaction called air reactor (or oxidation reactor). This results in a depleted airflow and a particle stream of the reoxidized oxygen carrier.
  • the stream of oxidized oxygen carrier particles is transferred to a reduction zone called a fuel reactor (or reduction reactor).
  • the flow of particles is brought into contact with a fuel, typically a hydrocarbon feedstock. This results in a combustion effluent and a stream of reduced oxygen carrier particles.
  • the CLC installation may include various equipment for heat exchange, pressurization, separation or possible recirculation of material around the air and fuel reactors.
  • the hydrocarbon feedstock is brought into contact, for example cocurrently, with the particulate oxygen-carrying solid comprising the oxido-reducing active mass in order to carry out the combustion of said feedstock by reducing the oxido-reducing active mass.
  • the redox active mass M x O y, M representing a metal is reduced to the state M x O y 2n-m / 2, through the hydrocarbon feedstock C n H m which is correlatively oxidized in C0 2 and H 2 0, according to the reaction (1) already described, or optionally in mixture CO + H 2 according to the proportions used and the nature of the metal M.
  • the combustion of the charge in contact with the active mass is carried out at a temperature generally between 400 ° C.
  • the contact time varies depending on the type of fuel load used. It typically varies between 1 second and 10 minutes, for example preferably between 1 and 5 minutes for a solid or liquid charge, and for example preferably from 1 to 20 seconds for a gaseous charge.
  • a mixture comprising the gases from the combustion and the particles of the oxygen-carrying solid is removed, typically at the top of the reduction zone.
  • Gas / solid separation means such as a cyclone, make it possible to separate the combustion gases from the solid particles of the oxygen carrier in their most reduced state.
  • the active mass is restored to its oxidized state M x O y in contact with the air, according to reaction (2) already described (or according to reaction (3) if the oxidizing gas is H 2 0), before returning to the reduction zone, and after being separated from the depleted oxygen air evacuated at the top of the oxidation zone 100.
  • the active mass passing alternately from its oxidized form to its reduced form and vice versa, describes an oxidation-reduction cycle.
  • the disclosed oxygen carrier solid may also be used in another chemical loop redox process such as a CLR process or a CLOU process.
  • the technology used in the chemical loop oxidation reduction process is preferably that of the circulating fluidized bed, but is not limited to this technology, and can be extended to other technologies such as fixed bed, mobile or bubbling bed , or rotating reactor. Examples
  • Examples 1 to 7 relate to oxygen-carrying solids not in accordance with the invention.
  • Examples 4 and 7 relate to oxygen-carrying solids in accordance with the invention.
  • Example 1 Aging test for oxygen-carrying solids in a batch fluidized bed
  • the aging of the oxygen carrier solids in a batch fluidized bed was carried out in a unit consisting of a quartz reactor, an automated system for supplying the gas reactor and a system for analyzing the gases leaving the reactor. reactor.
  • This aging test approximates the conditions of use of the oxygen-carrying solid in a chemically-looped oxidation-reduction process, in particular of a chemical-reduction oxidation-reduction loop.
  • the distribution of gases (CH 4 , CO 2 , N 2 , air) is ensured by mass flow meters. For safety reasons, a nitrogen sweep is carried out after each period of reduction and oxidation.
  • the height of the quartz reactor is 30 cm, with a diameter of 4 cm in its lower part (on 24 cm high), and 7 cm in its upper part.
  • a quartz sinter is placed at the bottom of the reactor to ensure the distribution of the gases and a good fluidization of the particles.
  • Another sinter is placed in the upper part of the reactor to prevent the loss of fines during the test.
  • the reactor is heated using an electric oven. Part of the gas leaving the reactor is pumped to the gas analyzers, cooled to condense most of the water formed during the reduction and then dried with calcium chloride.
  • the gas concentrations are measured using non-dispersive infrared analyzers for CO, CO 2 and CH 4 , a paramagnetic analyzer for oxygen, and a TCD detector for hydrogen.
  • Standard test conditions 100 grams of particles are introduced into the quartz reactor and then heated to 900 ° C under air flow (60 Nl / h). When the temperature of the bed is stabilized at 900 ° C. in air, 250 cycles are carried out according to the following steps:
  • Particle size distribution was measured using a Malvern particle size analyzer, using Fraunhofer's theory.
  • the granulometer is a Malvern Mastersizer 3000 particle size analyzer, and the measurement is carried out in a liquid way.
  • the mercury porosimetry measurements were performed on the Autopore IV device marketed by Micromeritics, considering a mercury surface tension of 485 dyn / cm and a contact angle of 140 °.
  • the minimum pore size measurable by mercury porosimetry is 3.65 nm.
  • the nitrogen adsorption isotherms were carried out on the ASAP 2420 device marketed by Micromeritics.
  • an oxygen-carrying solid is formed from alumina as a support matrix for an active oxide-reduction mass of copper oxide (s).
  • the alumina used for this example is Puralox SCCa 150-200 marketed by Sasol.
  • the pore volume of the particles measured by mercury porosimetry is 0.450 ml / g, and the pore size distribution is between 5 and 15 nm, centered on 9 nm.
  • the macroporous volume of the support measured by mercury porosimetry is 0.007 ml / g (1.5% of the total pore volume).
  • the nitrogen adsorption isotherm of Puralox makes it possible to measure a specific surface area of 199 m 2 / g, a microporous volume (pores ⁇ 2 nm) of zero and a mesoporous volume (2 nm ⁇ pores ⁇ 50 nm) of 0.496.
  • ml / g. 233 g of Puralox alumina was impregnated according to the dry impregnation method, with 96.5 g of copper nitrate trihydrate dissolved in the necessary volume of demineralized water. After drying at 120 ° C. and calcination at 850 ° C. for 12 hours, a solid containing 12% by weight of CuO is obtained; the crystallographic phases detected by XRD are ⁇ - ⁇ 203 and CuO. The distribution of copper within the particles is homogeneous.
  • the pore volume of the particles of the solid obtained, measured by mercury porosimetry, is 0.367 ml / g, of which 0.015 ml / g (ie 4% of the total pore volume measured by mercury porosimetry) is due to the macroporosity.
  • the pore size distribution is between 5 and 20 nm and centered on 11.25 nm, as can be seen in the diagram of FIG.
  • the nitrogen adsorption isotherm of the oxygen-carrying solid according to this example makes it possible to measure a surface area of 135 m 2 / g, a microporous volume (pore size ⁇ 2 nm) and a mesoporous volume (2 nm ⁇ pores ⁇ 50 nm) of 0.404 ml / g.
  • FIG. 1B is a diagram showing the normalized conversion rate Xc of methane as a function of the number N of oxidation-reduction rings in a CLC process using the oxygen carrier solid according to Example 2.
  • the conversion of methane is of the order of 98% at the beginning of the test, it increases until reaching 100%, then a progressive deactivation is observed after the hundredth cycle. The conversion then stabilizes around 95%.
  • the nature of the active mass used causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step.
  • the particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
  • the sample underwent a very significant attrition, with almost all the particles having a size of less than 100 ⁇ , as can be seen in the diagram of the FIG. 1C, representing the particle size distribution ( ⁇ ) of the oxygen carrier solid according to this example before (curve 10) and after (curve 1 1) its use in a CLC process, that is to say before and after the aging test according to Example 1.
  • SEM slices on a polished section of the particles after the aging test according to Example 1, such as the plate of FIG. 1D, show that the constitutive aluminic matrix of the particles did not resist the 250 successive redox cycles. Most of the particles are actually in the form of small fragments (a few tens of ⁇ ).
  • additional SEM-EDX analyzes show that the finest particles observed (some ⁇ in size) consist almost exclusively of copper and oxygen. This example shows that when the active mass is deposited on a purely mesoporous alumina, the accumulation of redox cycles leads to the cracking of said aluminum matrix, and to the migration of copper within the aluminum matrix to form aggregates composed essentially of copper. The mechanical strength of the cracked ceramic matrix is then insufficient and the life of the particles is drastically reduced.
  • Example 3 Carbohydrate carrying solid CuO / Silica Alumina at 5% SiO 2
  • an oxygen-carrying solid is formed from silicified alumina at 5% of SiO 2 as a support matrix for an active oxide-reduction mass of copper oxide (s) (CuO and CuAl 2 O 4 ).
  • the siliceous alumina used is Siralox 5 sold by Sasol and which contains 5% by weight of silica (SiO 2 ).
  • the pore volume measured by mercury porosimetry of the alumino-silicic support is 0.549 ml / g, and the pore size distribution is between 5 and 30 nm, centered on 13 nm.
  • the macroporous volume is 0.033 ml / g, ie 6% of the total pore volume measured by mercury porosimetry.
  • the nitrogen adsorption isotherm of Siralox 5 makes it possible to measure a specific surface area of 173 m 2 / g, a microporous volume (pore size ⁇ 2 nm) and a mesoporous volume (2 nm ⁇ pores ⁇ 50 nm) of 0.601 ml. /boy Wut.
  • the pore volume of the particles measured by mercury porosimetry is 0.340 ml / g, of which 0.029 ml / g (8.5%) is due to macroporosity.
  • the pore size distribution is between 7 and 50 nm and centered on 15 nm, as can be seen in the diagram of FIG. 2A representing the volume of mercury injected Vi (ml / g) in the porosity, as well as the ratio dV / dD, as a function of the pore diameter (nm), for the oxygen carrier solid according to this example.
  • the particles after impregnation / calcination are essentially mesoporous.
  • the specific surface area measured by nitrogen adsorption is 77 m 2 / g.
  • the oxygen carrier solid according to Example 3 was aged under the conditions described in Example 1.
  • the nature of the active mass used causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step.
  • the particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
  • the partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , gas velocities and / or inventory in the reduction reactor.
  • the size distribution of the particles after the aging test is similar to that of the material before testing, which indicates a better mechanical strength of the alumina-silica matrix compared to the particles on pure alumina.
  • the zone of particles whose morphology is relatively unchanged with respect to the initial silica-alumina consists mainly of alumina and contains only traces of copper, as well as almost all of silicon.
  • the presence of silicon in the ceramic matrix thus makes it possible to stabilize said ceramic matrix.
  • all the copper initially well dispersed in the mesoporous matrix migrated to the periphery of the particles during successive redox cycles.
  • EXAMPLE 4 CuO / Celsiane Oxygen-Bearing Solid
  • an oxygen-carrying solid is formed comprising a ceramic matrix of Celsiane in which is dispersed an oxidation-reduction active mass of oxide (s). of copper.
  • BaX means zeolite X exchanged with barium
  • a zeolitization of the binder by contact of the obtained particles placed in a glass reactor with an aqueous solution of sodium hydroxide concentration 100 g / l at a temperature of 100 ° C with stirring for 3 h.
  • the particles are then washed in 3 successive water-washing operations followed by reactor emptying.
  • the effectiveness of the washing is ensured by measuring the final pH of the washing water which is between 10 and 10.5.
  • barium exchange using a solution of 0.5 M barium chloride at 95 ° C in four steps. At each step, the volume ratio of solution to solid mass is 20 ml / g and the exchange is continued for 4 hours each time.
  • the barium exchange rate of this zeolite precursor is 95%.
  • the pore volume of the precursor of the shaped ceramic matrix which is a particulate macroporous BaX zeolite material measured by mercury porosimetry, is 0.206 ml / g.
  • the macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.191 ml / g, and the mesoporous volume (3.65 nm ⁇ pore ⁇ 50 nm) is 0.015 ml / g.
  • the size distribution of the macropores is between 100 nm and 1000 nm, centered on 330 nm. This distribution is visible in FIG. 3C, where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix (macroporous BaX zeolite material formed).
  • the nitrogen adsorption isotherm of this precursor of the ceramic matrix makes it possible to measure a specific surface area of 676 m 2 / g, a microporous volume (pore size ⁇ 2 nm) of 0.24 ml / g and a mesoporous volume ( 2 nm ⁇ pores ⁇ 50 nm) of 0.04 ml / g.
  • the macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.145 ml / g (94.8%), and the mesoporous volume is 0.008 ml / g.
  • the size distribution of the macropores is between 100 nm and 4000 nm, centered on 400 nm.
  • the grain density is 2086 kg / m 3 . This distribution is visible in FIG. 3C, where Vi S refers to the porosity of the initial oxygen-carrying solid (before aging test).
  • the specific surface area of the oxygen carrier according to the invention measured by nitrogen adsorption according to the BET method, is 5 m 2 / g.
  • the nature of the active mass used causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step.
  • the particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
  • Example 3 the particle size distribution after the aging test is similar to that of the pre-test material. Contrary to the observations of Example 3, the copper distribution after 250 cycles in a batch fluidized bed within the particles of the oxygen carrier according to the invention remains generally homogeneous, with a markedly minimized tendency for copper to migrate towards the periphery of the particles, as visible on the SEM image (a) and the EDX map (b) of the 3D figure. The presence of cuprous nodules of size between 0, 1 ⁇ and 5 ⁇ in the porosity. This texture is clearly visible in the SEM backscattered electron micrograph of FIG. 3E relating to a detail of a particle of the oxygen-carrying solid after aging.
  • the oxygen carrier solid according to this example 4 has a good sintering resistance.
  • the oxygen-carrying solid after 250 oxidation-reduction cycles nevertheless retains a pore size distribution and a pore volume sufficient to limit the migration of copper within the particles.
  • the morphological evolution of the oxygen-carrying solid according to the invention thus makes it possible to envisage the prolonged use of these particles in an industrial process in a circulating fluidized bed.
  • an oxygen carrier solid comprising a ceramic matrix of nepheline (feldspathoid) within which is dispersed an active oxide redox oxide (s) active mass.
  • the zeolitization steps of the binder and exchange with barium have not been realized.
  • the pore volume of the precursor of the ceramic matrix (zeolite material macroporous NaX) shaped, measured by mercury porosimetry, is 0.336 ml / g.
  • the macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.296 ml / g, and the mesoporous volume is 0.040 ml / g.
  • the size distribution of the macropores is between 100 nm and 1000 nm, centered on 330 nm. This distribution is visible in FIG. 4A where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix.
  • the nitrogen adsorption isotherm of the precursor of the ceramic matrix makes it possible to measure a specific surface area of 749 m 2 / g, a microporous volume (pores ⁇ 2 nm) of 0.260 ml / g and a mesoporous volume (2 nm ⁇ pores ⁇ 50 nm) of 0.12 ml / g.
  • tenorite (CuO) and nepheline of formula Na 3 . 6 AI 3 . 6 Si4.4Oi 6 are the only two phases detected by DRX.
  • the pore volume of the particles of Example 5, measured by mercury porosimetry, is 0.103 ml / g, with a wide pore size distribution (130 nm to 4.7 ⁇ m) centered on 750 nm.
  • the pore volume consists of 100% macropores. This distribution is visible in FIG. 4A, where Vi refers to the porosity of the initial oxygen-carrying solid (before aging test).
  • the conversion of methane to water and carbon dioxide is stable, but only around 30% over the entire test.
  • the partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , the gas velocities and / or the inventory in the reduction reactor, but the solid according to Example 5 is less efficient than that of Example 4 and would require a higher inventory.
  • the relatively low melting temperature of nepheline (1230 ° C) relative to celsian (1760 °) may be responsible for the higher densification observed. It is likely that some of the copper trapped in particles with a dense matrix is not accessible to gas, hence the conversion of methane lower than in Example 4. In addition to decreased reactivity compared to Example 4, the formation of a metal oxide crust at the periphery of a high proportion particles makes the use of this type of particles unthinkable in a fluidized bed circulating on an industrial scale (risk of agglomeration and loss of copper by attrition too large).
  • the pore volume of the particles measured by mercury porosimetry (0.088 ml / g) is of the same order of magnitude as before, as is the pore size distribution (1 10 nm - 4.7 ⁇ m).
  • an oxygen-carrying solid comprising a ceramic matrix of albite (feldspathoid) within which an oxidation-reduction active mass is dispersed. copper oxide (s).
  • a zeolitization of the binder by contact of the obtained particles placed in a glass reactor with an aqueous solution of sodium hydroxide concentration 100 g / l at a temperature of 100 ° C with stirring for 3 h.
  • the particles are then washed in three successive operations of washing with water followed by the emptying of the reactor. The effectiveness of the washing is ensured by measuring the final pH of the washing water which is between 10 and 10.5.
  • the pore volume of the precursor of the shaped ceramic matrix (macroporous NaY zeolite material), measured by mercury porosimetry, is 0.376 ml / g.
  • Volume macroporous (pore size> 50 nm) is 0.319 ml / g, and the mesoporous volume (3.65 nm ⁇ pores ⁇ 50 nm) is 0.057 ml / g.
  • the size distribution of the macropores is between 100 nm and 1000 nm, centered on 330 nm. This distribution is visible in Figure 5A where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix.
  • the precursor nitrogen adsorption isotherm of the ceramic matrix makes it possible to measure a specific surface area of 676 m 2 / g, a microporous volume (pore size ⁇ 2 nm) of 0.24 ml / g and a mesoporous volume (2 nm). ⁇ pores ⁇ 50 nm) of 0.04 ml / g.
  • the porosity of the particles of the oxygen-bearing solid is only 9% and the pore size distribution is very wide (from 30 nm to 5000 nm, or even Figure 5A curve Vi S), reflecting the presence of very large cavities created during the calcination and observed by SEM, as well as a densification of the amorphous matrix of silica-alumina (SEM image of Figure 5B).
  • the total pore volume is 0.043 ml / g.
  • the macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.038 ml / g (88.4%), and the mesoporous volume is 0.005 ml / g.
  • the porosity of the particles is only 4%, consisting essentially of large cavities still present within the particles (size centered around 3700 nm).
  • the low conversion of methane can be directly related to the lack of porosity of the matrix, which encapsulates a large proportion of copper and makes it inaccessible to different gases.
  • the gradual increase in conversion is probably due to the migration of copper to the periphery of the particles over the redox cycles.
  • the SEM analysis after aging shows that a copper crust has accumulated on the surface of the particles during the test (SEM image of FIG. 5C). This accumulation of copper on the surface is responsible for the agglomeration of the particles. A significant proportion of the copper is still trapped inside the matrix at the end of the test.
  • the XRD analysis shows that the initially amorphous matrix formed a crystalline phase, the albite (NaAISi 3 0 8 ), whose melting point (1120 ° C.) is weak relative to the celsiane.
  • the presence of tenorite (CuO), quartz, cuprite (Cu 2 O) and traces of nepheline is also observed.
  • Example 7 CuO / Slawsonite oxygen carrier solid
  • an oxygen carrier solid comprising a slawsonite ceramic matrix (feldspar) in which is dispersed an active oxide redox oxide (s) active mass.
  • SrLSX means zeolite LSX exchanged with strontium
  • a zeolitization of the binder by contact of the obtained particles placed in a glass reactor with an aqueous solution of sodium hydroxide concentration 100 g / l at a temperature of 100 ° C with stirring for 3 h.
  • the particles are then washed in 3 successive operations of washing with water followed by the emptying of the reactor.
  • the effectiveness of the washing is ensured by measuring the final pH of the washing water which is between 10 and 10.5.
  • an exchange with strontium by means of a solution of 0.5 M strontium chloride at 95 ° C. in 4 steps. At each step, the volume ratio of solution to solid mass is 20 ml / g and the exchange is continued for 4 hours each time. Between each exchange, the solid is washed several times in order to rid it of excess salt.
  • the strontium exchange rate of this zeolite precursor is 94%.
  • the pore volume of the precursor of the shaped ceramic matrix (macroporous SrLSX zeolite material), measured by mercury porosimetry, is 0.195 ml / g.
  • the macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.183 ml / g, and the mesoporous volume is 0.012 ml / g.
  • the size distribution of the macropores is between 50 nm and 950 nm, centered on 300 nm. This distribution is visible in Figure 6A where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix.
  • the porous volume of the oxygen carrier solid according to the invention measured by mercury porosimetry, is 0.093 ml / g.
  • the macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.091 ml / g, and the mesoporous volume is 0.002 ml / g.
  • the size distribution of the macropores is between 50 nm and 3500 nm, centered on 350 nm. This distribution is visible in FIG. 6A where Vi S refers to the porosity of the initial oxygen-carrying solid (before aging test).
  • the specific surface area of the oxygen carrier according to the invention measured by nitrogen adsorption according to the BET method, is 3 m 2 / g.
  • the nature of the active mass used causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step.
  • the particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
  • the partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , gas velocities and / or inventory in the reduction reactor.
  • Example 3 the particle size distribution after the aging test is similar to that of the pre-test material. Contrary to the observations of Example 3, the copper distribution after 250 cycles in a batch fluidized bed within the particles of the oxygen carrier according to the invention remains generally homogeneous, with a markedly minimized tendency for copper to migrate towards the periphery of the particles. The presence of copper-bearing nodules is still observed between 0, 1 ⁇ and 5 ⁇ in the porosity.
  • FIG. 6B which is an SEM image of a portion of a particle of the oxygen-carrying solid after aging, shows this texture.
  • the main crystalline phases detected by DRX after aging are tenorite (CuO) and monoclinic slawsonite. Some very weak peaks characteristic of hexagonal slawsonite and copper aluminate (CUAI2O4) are also present.
  • the porous particle volume measured by mercury porosimetry decreased by 23% (0.072 ml / g) during aging, and the pore size increased (pore size distribution centered on 550 nm). A slight sintering of the slawsonite matrix therefore took place.
  • the oxygen-carrying solid after 250 oxidation-reduction cycles nevertheless retains a pore size distribution and a pore volume sufficient to limit the migration of copper within the particles.

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Abstract

The invention relates to an oxygen carrier solid, its preparation and its use in a method of combustion of a hydrocarbon feedstock by active mass chemical-looping oxidation-reduction, i.e. chemical-looping combustion (CLC). The solid, which is in the form of particles, comprises an oxidation-reduction active mass composed of metal oxide(s) dispersed in a ceramic matrix comprising at least at least one feldspar or feldspathoid with a melting point higher than 1500°C, such as celsian, and has, initially, a specific macroporous texture. The oxygen carrier solid is prepared from a precursor of the ceramic matrix, obtained from a macroporous zeolitic material with zeolite crystals of a specific size, and a precursor of the oxidation-reduction active mass.

Description

SOLIDE PORTEUR D'OXYGÈNE MACROPOREUX AVEC FELDSPATH/FELPDSPATHOÏDE RÉFRACTAIRE, SON PROCÉDÉ DE PRÉPARATION, SON UTILISATION DANS UN  MACROPOROUS OXYGEN SOLID CARRIER WITH REFRACTORY FELDSPATH / FELPDSPATHOID, PREPARATION METHOD THEREOF, USE THEREOF
PROCÉDÉ DOXYDO-RÉDUCTION EN BOUCLE CHIMIQUE  DOXYDO-CHEMICAL LOOP REDUCTION PROCESS
Domaine de l'invention Field of the 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 The present invention relates to an oxygen carrier solid, its preparation and its use in an oxidation-reduction process in chemical loop on active mass, commonly known as "Chemical Looping" according to the English terminology. In particular, the new type of oxygen carrier solid according to the invention can be used in a chemical looping combustion process (Chemical Looping Combustion). General context
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.  Chemical mass-based oxidation-reduction processes are known in the field of energy production, gas turbines, boilers and furnaces, particularly for the oil, glass and cement industry.
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 H2, les charbons ou les résidus pétroliers, un mélange d'hydrocarbures, et isoler le dioxyde de carbone CO2 produit. Il est alors envisageable de stocker le C02 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). In particular, the production of electricity, heat, hydrogen or steam can be achieved by this type of process, typically the CLC process, implementing oxidation-reduction reactions of an active mass, called mass oxidation reduction, conventionally a metal oxide, to produce a hot gas from a fuel, for example natural gas, carbon monoxide CO, hydrogen H 2 , coals or petroleum residues, a mixture of hydrocarbons, and isolate the carbon dioxide CO2 produced. It is then possible to store the C0 2 captured in geological formations, or to use it as a reagent in other processes, or to inject it into the oil wells in order to increase the quantity of hydrocarbons extracted from deposits (enhanced recovery of EOR oil and EGR gas, for "Enhanced Oil Recovery" and "Enhanced Gas Recovery").
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 H2. In such a process of oxidation-reduction in chemical loop on active mass, a first reaction of oxidation of the active mass with air or another oxidizing gas, playing the role of oxidant, allows, because of the exothermic nature oxidation, to obtain a hot gas whose energy can then be exploited. When the oxidizing gas is water vapor, the oxidation of the active mass also makes it possible to produce a gaseous effluent rich in 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 CO2 et de l'eau, voire A second reduction reaction of the oxidized active mass with the aid of a gas, a liquid or a reducing solid (hydrocarbon feedstock) then makes it possible to obtain a reusable active mass and a gaseous mixture comprising essentially CO2 and water, even
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) du gaz de synthèse contenant du CO et de ΙΉ2, selon les conditions opérées lors de l'étape de réduction. FIRE I LLE OF REM PLACEM ENT (RULE 26) synthesis gas containing CO and ΙΉ 2 , depending on the conditions operated during the reduction step.
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. In a CLC process, the energy can be produced in the form of steam or electricity for example. The heat of combustion of the hydrocarbon feedstock is similar to that encountered in conventional combustion. This corresponds to the sum of the heats of reduction and oxidation in the chemical loop. The heat is generally extracted by exchangers located inside, wall or appendage of the fuel and / or air reactors, on the flue lines, or on the transfer lines of the active mass.
Un intérêt majeur de ces procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique sur masse active est alors de permettre d'isoler facilement le C02 (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 N2 (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 C02 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. A major advantage of these oxidation-reduction processes in chemical loop on active mass is then to allow to easily isolate the CO 2 (or synthesis gas) contained in the gaseous mixture without oxygen and nitrogen constituting the effluent from the reduction reactor. Another advantage is the production of a flow of nitrogen N 2 (and argon) containing almost no oxygen, and corresponding to the effluent from the oxidation reactor, when the air is used as oxidizing gas. In a context of increasing global energy demand, the CLC process thus provides an attractive solution for C0 2 capture with a view to its sequestration or recovery for other processes, in order to limit the emission of greenhouse gases. greenhouse that is detrimental to the environment.
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. US Pat. No. 5,447,024 for example describes a CLC process comprising a first reactor for reducing an active mass using a reducing gas and a second oxidation reactor for restoring the active mass in its oxidized state by an oxidation reaction with moist air. The circulating fluidized bed technology is used to allow the continuous passage of the active mass of the reduction reactor to the oxidation reactor and vice versa. Patent application WO 2006/123925 describes another implementation of the CLC process using one or more fixed-bed reactors containing the active mass, the redox rings being carried out by permutation of the gases in order to successively carry out the oxidation and reduction of the active mass.
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 (MxOy), est tout d'abord réduite à l'état MxOy-2n-m/2, par l'intermédiaire d'un hydrocarbure CnHm, qui est corrélativement oxydé en C02 et H20, selon la réaction (1 ), ou éventuellement en mélange CO + H2 selon la nature de la masse active et les proportions utilisées. The active mass, passing alternately from its oxidized form to its reduced form and vice versa, describes an oxidation-reduction cycle. It should be noted that, in general, the terms oxidation and reduction are used in relation to the respectively oxidized or reduced state of the active mass. The oxidation reactor is one in which the active mass is oxidized and the reduction reactor is the reactor in which the active mass is reduced. Thus, in the reduction reactor, the active mass, usually a metal oxide (M x Oy) is first reduced to the state M x O y 2n-m / 2, via a hydrocarbon C n H m , which is correlatively oxidized to C0 2 and H 2 0, according to reaction (1), or optionally in CO + H 2 mixture according to the nature of the active mass and the proportions used.
CnHm + MxOy n C02+ m/2 H20 + MxOy-2n-m/2 (1 ) Dans le réacteur d'oxydation, la masse active est restaurée à son état oxydé (MxOy) au contact de l'air selon la réaction (2), avant de retourner vers le premier réacteur. C n H m + M x O y n C0 2 + m / 2 H 2 0 + M x O y-2n - m / 2 (1) In the oxidation reactor, the active mass is restored to its oxidized state ( M x O y ) in contact with the air according to reaction (2), before returning to the first reactor.
MxOy-2n-m/2 + (n+m/4) 02→· MxOy (2) 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)). MxOy-2n-m/2 + (2n+m/2) H20 -» MxOy + (2n+m/2) H2 (3) In the case where the oxidation of the active mass is carried out by the steam, a flow of hydrogen is obtained at the outlet of the oxidation reactor (reaction (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. In the equations above, M represents a metal.
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. The active mass has a role of oxygen carrier in the chemical loop redox process. Thus commonly referred to as solid oxygen carrier solid comprising the active mass, typically comprising the metal oxide or oxides capable of exchanging oxygen under the redox conditions of the oxidation-reduction process in a chemical loop.
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. The oxygen carrier solid may further comprise a binder or a support in association with the active mass, in particular to ensure good reversibility of oxidation and reduction reactions, and improve the mechanical strength of the particles. Indeed, the active masses, chosen, for example, from the redox couples of copper, nickel, iron, manganese and / or cobalt, are generally not used in pure form since the successive oxidation / reduction cycles at high temperature lead to a significant and rapid decrease in the oxygen transfer capacity, due to the sintering of the particles. Thus, in US Pat. No. 5,447,024, the oxygen carrier solid comprises a NiO / Ni redox couple as an active mass, associated with a YSZ binder which is yttrium-stabilized zirconia, also called yttria zirconia.
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. Many types of binders and supports, in addition to yttria YSZ zirconia, have been studied in the literature to increase the mechanical strength of particles at a lower cost than YSZ. Among these, mention may be made of alumina, spinel of aluminate metal, titanium dioxide, silica, zirconia, ceria, kaolin, 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. The effectiveness of the oxidation-reduction process in a chemical loop depends mainly on the physicochemical properties of the oxygen-carrying solid. In addition to the reactivity of the active mass involved and the oxygen transfer capacity of the oxygen-carrying solid (active mass + binder / support), which affect the design of the reactors and, in the case of bed technology circulating fluidized, on particle circulation rates, the lifetime of the particles in the process has a preponderant impact on the operating cost of the process, particularly in the case of circulating fluidized bed process. In fact, in the case of the circulating fluidized bed process, the attrition rate of the particles makes it necessary to compensate for the loss of oxygen-carrying solid in the form of fines, typically particles of the oxygen-carrying solid with a diameter of less than 40. μηη, with new oxygen carrier solid. The rate of renewal of the oxygen-carrying solid therefore strongly depends on the mechanical strength of the particles as well as their chemical stability under the process conditions, which includes many successive oxidation / reduction cycles.
D'une manière générale, les performances des solides porteurs d'oxygène rapportés 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 FeTi03) 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 C02 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. In general, the performance of oxygen-carrying solids reported in the literature is satisfactory in terms of oxygen transfer capacity and reactivity with the various hydrocarbons tested (Adanez, J., Abad, A., Garcia- Labiano, F., Gayan, P. & Diego, LF, "Progress in Chemical Looping Combustion and Reforming Technologies," Progress in Energy and Combustion Science, 38 (2), (2012) 215-282). However, in most publications, too short a test period and / or the lack of thorough characterization of the particles after the test do not allow to conclude as to the lifetime of the particles in the CLC process, although some authors announce important lifetimes. Some recent studies highlight the problem of the lifetime of particles related to the many redox cycles suffered by the particles in the CLC process. For example, the problem of the lifetime of ilmenite particles (ore FeTiO 3 ) has recently been demonstrated by P. Knutsson and C. Linderholm ("Characterization of the use of Oxygen Carrier in a 100 kW Chemical Looping"). Combustor for Solid Fuels ", 3rd International Conference on Chemical Looping, September 9-1, 2014, Gothenburg, Sweden). After a long-term test in a 100kWth circulating fluidized bed pilot, the SEM characterization of the aged particles shows that a high porosity has developed within the particles, which results in their disintegration as fines which are eliminated. in gas / solid separation cyclones. The porosity of ilmenite ore particles increases strongly with redox cycles and results in their sputtering, potentially challenging the adequacy of this ore to the process, while early studies on the use of ilmenite concluded at its conclusion. good suitability for the CLC process. The increase in porosity observed by the minute characterization of the particles after the test is concomitant with the migration of ferrous and / or ferric ions by diffusion within the particles. According to the authors, segregation of iron within the particles precedes its migration to the surface, creating the porosity that results in the disaggregation of the particles in the form of fines. The appearance of porosity is the main mechanism for the formation of fine particles during the process, considerably limiting the lifetime of the particles, and therefore the potential value of the ore for the CLC application. Indeed, the estimated lifespan of ilmenite particles is of the order of only 200 hours ("Emerging C0 2 Capture Systems", JC Abanades, B. Arias, A. Lyngfelt, T. Mattisson, DE Wiley, H Li, MT Ho, E. Mangano, S. Brandani, J. Int Greenhouse Gas Control 40 (2015), 126). The attrition phenomenon of the oxygen-carrying solid is thus mainly due to a morphological evolution linked to the consecutive redox cycles experienced by the particles rather than to shocks on the walls and between particles, usually considered as the main source of attrition in fluidized bed processes.
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 Fe203/AI203 (70/30) en petits grains (i.e. pulvérisation des particules en fines) après seulement 60h de combustion en lit fluidisé circulant. Wei et al. (Continuous Operation of a 10 kWth Chemical Looping Integrated Fluidized Bed Reactor for Gasifying Biomass Using an Iron-Based Oxygen Carrier, Energy Fuels 29, 233, 2015) also mention the conversion of synthetic Fe 2 O 3 / Al 2 O 3 particles. 3 (70/30) in small grains (ie spraying of particles into fines) after only 60 hours of combustion in a circulating fluidized bed.
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. LS Fan et al. ("Chemical-Looping Technology Platform", AIChE J. 61, 2, 2015) state that the lack of demonstration of the CLC process on an industrial scale is related to the inadequacy of oxygen-carrying solids in terms of reactivity, recyclability, oxygen transfer capacity, mechanical strength and attrition resistance. According to these authors, the first studies on the oxygen-carrying solids did not realize the importance of the cationic and anionic migration mechanisms within the particles, which lead to phase segregations, the appearance of cavities or micropores, agglomeration, sintering, 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. The patent application WO 2012/155059 discloses the use of oxygen carrier solids consisting of an active mass (20 to 70% by weight), a primary support material of the ceramic or clay type (5 to 70% by weight). , and a secondary support material (1 to 35% by weight), also of ceramic or clay type. An improved mechanical stability related to the control of the volume expansion is advanced for these solid oxygen carriers. It is explained that a diffusion movement of the iron ions towards the outside of the particles causes the volume expansion of the particles, which leads to embrittlement of the particles. In the solid according to WO 2012/155059, the primary support material would make it possible to disperse the metallic active mass and prevent its agglomeration, preserving the redox activity, whereas the secondary support material would serve to reduce the speed of volume expansion by forming a phase stabilizing solid that would prevent iron migration to the 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/AI203 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 (Ti02, Si02, MgAI204) 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. The numerous studies on a metal oxide (active mass generally based on Cu, Ni, Co, Fe and / or Mn oxide) on a support conclude that most of the formulations tested in the CLC process are suitable. However, Forero et al. (CR Forero, P. Gayân, F. Garcia-Labiano, LF de Diego, A. Abad, J. Adânez, Int.J. Greenhouse Gas Control 5 (201 1) 659-667) report a loss of copper oxide important, probably due to the migration of the active phase outwards of particles during redox cycles. Surface copper is then removed in the fines by attrition. In addition, the porosity of the CuO / Al 2 O 3 particles increases with the number of cycles, and the aluminum matrix is gradually cracking, resulting in the formation of fine particles. Adanez-Rubio et al. (Energy Fuels 2013 (27) 3918) report that the packed packed density of batches of CuO-based particles impregnated on different supports (Ti0 2 , Si0 2 , MgAl 2 0 4 ) decreases significantly, which can be attributed to to a significant increase in the porosity of the particles and means that the lifetime of these particles is limited.
La migration du métal avec le nombre de cycles est également rencontrée avec les particules Fe203/Al203, 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 ). The migration of the metal with the number of cycles is also encountered with Fe 2 O 3 / Al 2 O 3 particles, as reported by LS Fan et al. ("lonic diffusion in the oxidation of Iron-effect of support and its implications for 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% NiAI204) 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 ),Lyngfelt et al. performed a 1000h test with nickel-based particles (40% NiO / 60% NiAl 2 O 4 ) in a 10kWth circulating fluidized bed plant (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/NiAI204 oxygen carriers for chemical-looping combustion produced by spray-drying", International Journal of Greenhouse Gas Control, 4,(2009) 2083-2096). The authors conclude that the lifetime of the particles is of the order of 33000h, but a fairly high proportion of agglomerates is observed at the end of the test and part of the solid adhered to the walls of the reactor. The presence of metallic nickel on the surface of the particles, due to the migration of nickel outwards, is probably at the origin of the formation of the agglomerates observed (Jerndal, E., Mattisson, T., ThijsJ., Snijkers, F. & Lyngfelt, A., "Investigation of NiO / NiAl 2 0 4 Oxygen Tanks 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 m en taille) constituées essentiellement de nickel sur la surface des grosses particules. Les particules testées sont initialement purement mésoporeuses. (2010) 23). Such agglomerates represent a significant risk of accidental shutdown of the CLC process. In addition, the characterization of the aged particles is insufficient to really conclude the interest of this solid for the CLC. Batchwise fluidized bed tests on particles of a similar carrier, carried out by the applicants, show a large migration of nickel towards the periphery of the particles and the formation of fine particles (0.1 to 5 m in size) consisting essentially of nickel on the surface of large particles. The particles tested are initially purely mesoporous.
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 The search for a high-performance oxygen carrier, in terms of oxygen transfer capacity, reactivity with the various hydrocarbon feeds that can be treated, and mechanical strength, therefore remains a primary objective for the development of the processes. oxidation reduction in a chemical loop, such as CLC. Objectives and summary of the 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 du solide porteur d'oxygène, la 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 ; The present invention aims to overcome the problems of the prior art described above, and generally aims to provide an oxygen carrier solid for a chemical loop redox process which has a long life when its use in the process, in particular to reduce investment costs and / or operation for such processes. Thus, to achieve at least one of the aforementioned objectives, among others, the present invention provides, in a first aspect, a particulate oxygen carrier solid for a method of combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido. chemical loop reduction, comprising: an oxidation-reduction active mass constituting between 5% and 75% by weight of the oxygen-carrying solid, the oxidation-reduction active mass comprising a metal oxide or a mixture of metal oxides and being capable of carrying oxygen in the chemical-loop oxidation-reduction combustion process;
- 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, et la matrice en céramique comportant entre 60% et 100% poids d'au moins un feldspath ou un feldspathoïde ayant une température de fusion supérieure à 1500°C et entre 0% et 40% d'au moins un oxyde ; a ceramic matrix in which the oxidation-reduction active mass is dispersed, the ceramic matrix constituting between 25% and 95% by weight of the oxygen-carrying solid, and the ceramic matrix comprising between 60% and 100%; % by weight of at least one feldspar or feldspathoid having a melting temperature above 1500 ° C and between 0% and 40% of at least one oxide;
- une porosité telle que : - le volume poreux total du solide porteur d'oxygène, mesuré par porosimétrie au mercure, est compris entre 0,05 et 0,9 ml/g, a porosity such that: the total pore volume of the oxygen-carrying solid, measured by mercury porosimetry, is between 0.05 and 0.9 ml / g,
- le volume poreux des macropores constitue au moins 10% du volume poreux total du solide porteur d'oxygène; the pore volume of the macropores constitutes at least 10% of the total pore volume of the oxygen-carrying solid;
- 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. the size distribution of the macropores within the oxygen carrier solid, measured by mercury porosimetry, is between 50 nm and 7 μηη.
De préférence, le volume poreux total du solide porteur d'oxygène est compris entre 0, 1 et 0,5 ml/g. Preferably, the total pore volume of the oxygen-carrying solid is between 0.1 and 0.5 ml / g.
Le volume poreux total des macropores constitue des macropores constitue au moins 50% du volume poreux au moins 50% du volume poreux 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 4 μηη. The total pore volume of macropores constituting macropores constitutes at least 50% of the pore volume at least 50% of the pore volume of the oxygen-bearing solid. Preferably, the size distribution of the macropores within the oxygen-carrying solid is between 50 nm and 4 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/ou Co, une pérovskite présentant des propriétés redox, de préférence une pérovskite de formule CaMn03, un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox, de préférence un spinelle d'aluminate métallique de formule CuAI204 ou un cuprospinelle de formule CuFe204. The oxidation-reduction active mass preferably comprises at least one metal oxide included in the list consisting of Fe, Cu, Ni, Mn and / or Co oxides, a perovskite with redox properties, preferably a perovskite of formula CaMnO 3 , a metal aluminate spinel having redox properties, preferably a metal aluminate spinel of formula CuAl 2 O 4 or a Cuprospinelle of formula CuFe 2 O 4 .
Selon un mode de réalisation de l'invention, la masse active d'oxydo-réduction comporte au moins de un oxyde de cuivre. According to one embodiment of the invention, the oxidation-reduction active mass comprises at least one copper oxide.
Avantageusement, ledit au moins un feldspath ou feldspathoïde a une température de fusion supérieure à 1700°C. Advantageously, said at least one feldspar or feldspathoid has a melting temperature greater than 1700 ° C.
Avantageusement, ledit au moins un feldspath ou feldspathoïde de la matrice en céramique est un feldspath choisi dans la liste constituée par la celsiane, la slawsonite, l'anorthite, ou un feldspathoïde étant la kalsilite, et est de préférence la celsiane. Advantageously, said at least one feldspar or feldspathoid of the ceramic matrix is a feldspar chosen from the list consisting of celsiane, slawsonite, anorthite, or a feldspathoid being kalsilite, and is preferably celsiane.
Ledit au moins un oxyde de la matrice en céramique peut être choisi dans la liste constituée par l'alumine, les aluminates métalliques, la silice, les silicates, les aluminosilicates, le dioxyde de titane, les pérovskites, la zircone. Said at least one oxide of the ceramic matrix may be chosen from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites and zirconia.
De préférence, les particules ont une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 μηη et 600 μηη. Preferably, the particles have a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 μηη and 600 μηη.
Selon un deuxième aspect, l'invention porte sur un procédé de préparation du solide porteur d'oxygène selon l'invention, comportant les étapes suivantes : According to a second aspect, the invention relates to a process for preparing the oxygen-carrying solid according to the invention, comprising the following steps:
(A) la préparation d'un précurseur d'une matrice céramique comportant : (A) preparing a precursor of a ceramic matrix comprising:
- a1 ) la préparation d'un matériau zéolithique macroporeux, le matériau zéolithique macroporeux comportant des cristaux de zéolithe de diamètre moyen en nombre inférieur ou égal à 3 μηη, et de préférence de diamètre moyen en nombre compris entre 0,4 μηη et 2 μηη ; et a1) the preparation of a macroporous zeolite material, the macroporous zeolite material comprising zeolite crystals with a mean diameter of less than or equal to 3 μηη, and preferably a number-average diameter of between 0.4 μηη and 2 μηη; ; and
- a2) un échange cationique dudit matériau zéolithique macroporeux avec une solution d'ions précurseurs, les ions précurseurs étant choisis pour former un feldspath ou feldspathoïde de température de fusion > 1500°C de la matrice céramique à l'issue de l'étape (D), l'échange cationique étant suivi d'un lavage dudit matériau zéolithique macroporeux, pour obtenir le précurseur de la matrice céramique ; (B) l'imprégnation dudit précurseur de la matrice céramique obtenu à l'étape (A) par un composé précurseur d'une masse active d'oxydo-réduction ; a2) a cationic exchange of said macroporous zeolite material with a solution of precursor ions, the precursor ions being chosen to form a feldspar or feldspathoid with a melting point> 1500 ° C. of the ceramic matrix at the end of the step ( D), the cationic exchange being followed by a washing of said macroporous zeolite material, to obtain the precursor of the ceramic matrix; (B) impregnating said precursor of the ceramic matrix obtained in step (A) with a precursor compound of an oxidation-reduction active mass;
(C) la mise sous forme de particules du précurseur de la matrice céramique au cours de l'étape (a1 ) ou à l'issue de l'étape (B) ; (D) le séchage du précurseur de la matrice céramique imprégné sous forme de particules obtenu à l'issu de l'ensemble des étapes (A), (B) et (C); et (C) forming particles of the precursor of the ceramic matrix during step (a1) or at the end of step (B); (D) drying the precursor of the impregnated ceramic matrix in particle form obtained at the end of all of the steps (A), (B) and (C); and
(E) la calcination du précurseur de la matrice céramique imprégné et séché obtenu à l'étape (D) pour l'obtention du solide porteur d'oxygène sous forme de particules. (E) calcining the precursor of the impregnated and dried ceramic matrix obtained in step (D) to obtain the particulate oxygen carrier solid.
Selon un mode de réalisation, l'étape a1 ) comporte : - a'1 ) l'agglomération des cristaux de zéolithe avec un liant argileux pour former un aggloméré zéolithique ; According to one embodiment, step a1) comprises: - a'1) agglomeration of the zeolite crystals with a clay binder to form a zeolite agglomerate;
- a'2) la mise en forme de l'aggloméré zéolithique obtenu à l'étape a'1 ) pour produire des particules, suivie d'un séchage desdites particules, et éventuellement suivi d'une étape de tamisage et/ou de cyclonage ; - a'3) la calcination des particules de l'aggloméré zéolithique obtenues à l'étape a'2) à une température comprise entre 500°C et 600°C pour produire le matériau zéolithique macroporeux sous forme de particules ; - a'2) the shaping of the zeolite agglomerate obtained in step a'1) to produce particles, followed by drying of said particles, and possibly followed by a sieving and / or cycloning step ; - a'3) calcining the particles of the zeolite agglomerate obtained in step a'2) at a temperature between 500 ° C and 600 ° C to produce the macroporous zeolite material in particulate form;
- a'4) optionnellement la zéolithisation du liant argileux par mise en contact du produit résultant de l'étape a'3) avec une solution aqueuse basique alcaline, suivie d'un lavage. - a'4) optionally the zeolitization of the clay binder by contacting the product resulting from step a'3) with an alkaline basic aqueous solution, followed by washing.
Avantageusement, les cristaux zéolithiques comprennent au moins une zéolithe de rapport molaire Si/AI compris entre 1 ,00 et 1 ,50, de préférence les cristaux zéolithiques comprenant au moins une zéolithe choisie parmi les zéolithes A, X, LSX et low-silica EMT, les low-silica EMT comportant un rapport Si/AI compris entre 1 ,0 et 1 ,4. Selon un mode de réalisation, l'échange cationique à l'étape a2) est réalisé avec une solution comportant des ions alcalins, de préférence K+, ou des ions alcalino-terreux, et de préférence avec une solution comportant des ions alcalino-terreux. De préférence, l'échange cationique à l'étape a2) est réalisé avec une solution comportant des ions choisis parmi les ions Ba2+, Sr2"", Ca2+, et de préférence avec une solution comportant des ions Ba2+. Advantageously, the zeolitic crystals comprise at least one zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, preferably zeolitic crystals comprising at least one zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT. EMT low-silica having a Si / Al ratio of between 1.0 and 1.4. According to one embodiment, the cation exchange in step a2) is carried out with a solution comprising alkaline ions, preferably K +, or alkaline earth ions, and preferably with a solution comprising alkaline earth ions. Preferably, the cationic exchange in step a2) is carried out with a solution comprising ions chosen from Ba 2+ , Sr 2 " -, Ca 2+ ions, and preferably with a solution containing Ba 2+ ions. .
Selon un mode de réalisation, l'étape (A) comporte en outre une étape a3) de traitement thermique du matériau zéolithique macroporeux obtenu à l'étape a2), le traitement thermique comportant une étape de séchage à une température comprise entre 100°C et 400°C. According to one embodiment, step (A) further comprises a heat treatment step a3) of the macroporous zeolite material obtained in step a2), the heat treatment comprising a drying step at a temperature of between 100 ° C. and 400 ° C.
Selon un mode de réalisation, à l'étape (C), on met le précurseur de la matrice céramique sous forme de particules ayant une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 μηη et 600 μηη. Selon un mode de réalisation, l'imprégnation à l'étape (B) est réalisée 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(N03)2.xH20, Ni(N03)2.xH20, Co(N03)2.xH20, Fe(N03)3.xH20, Mn(N03)2.xH20. According to one embodiment, in step (C), the precursor of the ceramic matrix is placed in the form of particles having a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 μηη and 600 μηη. According to one embodiment, the impregnation in step (B) is carried out with an aqueous or organic solution containing at least one soluble precursor compound of copper, nickel, cobalt, iron or manganese, preferably with a aqueous solution containing at least one precursor compound of the oxidation-reduction active mass chosen from the list consisting of the nitrates of the following formulas: Cu (N0 3 ) 2.xH 2 0, Ni (N0 3 ) 2 .xH 2 0 , Co (NO 3 ) 2 .xH 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .xH 2 O, Mn (NO 3 ) 2 · xH 2 0.
L'imprégnation à l'étape (B) peut être 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 de l'invention, le séchage à l'étape (D) 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. The impregnation in step (B) can be carried out in one or more successive stages, and preferably comprises intermediate stages of drying at a temperature of between 30 ° C. and 200 ° C. and / or calcination at a temperature of between between 200 ° C and 600 ° C when the impregnation is carried out in several successive stages. According to one embodiment of the invention, the drying in step (D) is carried out in air or in a controlled atmosphere, at a temperature between 30 ° C and 200 ° C, and preferably in air at a temperature between 100 ° C and 150 ° C.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la calcination à l'étape (E) est effectuée sous air 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. According to one embodiment of the invention, the calcination in step (E) is carried out under air between 450 ° C. and 1400 ° C., preferably between 600 ° C. and 1000 ° C., more preferably between 700 ° C. and 900 ° C, and is carried out for a period of 1 to 24 hours, and preferably for a period of 5 to 15 hours.
Selon un mode de réalisation de l'invention, à l'étape a1 ) on mélange les cristaux de zéolithe à au moins un oxyde choisi dans la liste constituée par l'alumine, les aluminates métalliques, la silice, les silicates, les aluminosilicates, le dioxyde de titane, les pérovskites, la zircone, et/ou à un agent porogène destiné à augmenter la macroporosité du matériau zéolithique macroporeux. According to one embodiment of the invention, in step a1) the zeolite crystals are mixed with at least one oxide selected from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia, and / or a pore-forming agent intended to increase the macroporosity of the macroporous zeolite material.
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. According to a third aspect, the invention relates to a method of combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido-reduction in a chemical loop using an oxygen carrier solid according to the invention or prepared according to the preparation method according to the 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. Advantageously, the invention relates to a CLC process, preferably in which the oxygen carrier solid circulates between at least one reduction zone and an oxidation zone both operating in a fluidized bed, the temperature in the reduction zone. and in the oxidation zone being between 400 ° C and 1400 ° C, preferably between 600 ° C and 1100 ° C, and more preferably between 800 ° C and 1100 ° 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. Other objects and advantages of the invention will appear on reading the following description of examples of particular embodiments of the invention, given by way of non-limiting examples, the description being made with reference to the appended figures described herein. -after.
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. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D relate to an oxygen carrier solid according to Example 2 (example not in accordance with the invention). FIG. 1A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid. Fig. 1B is a diagram showing the conversion of methane as a function of oxidation-reduction cycles in a CLC process using the oxygen-carrying solid. Fig. 1C is a diagram showing the particle size distribution of the oxygen carrier solid before and after its use in a CLC process. Figure 1D is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a polished section of a sample of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
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 . FIGS. 2A, 2B, 2C and 2D relate to an oxygen carrier solid according to Example 3 (example not in accordance with the invention). Fig. 2A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid. Figure 2B is a diagram showing the conversion of methane versus oxidation-reduction cycles in a CLC process using the oxygen-carrying solid. FIG. 2C shows in (a) a SEM image and (b) an energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) mapping of the oxygen-carrying solid prior to its use in a CLC process. Figure 2D is a SEM image of a polished section of a sample of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
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 diffractogramme obtenu par diffractométrie de rayons X (DRX) du solide porteur d'oxygène. La figure 3B représente en (a) un cliché MEB en électrons rétrodiffusés et en (b) une cartographie EDX d'une section polie du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. La figure 3C est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène. La figure 3D représente en (a) un cliché MEB en électrons rétrodiffusés et en (b) une cartographie EDX d'une section polie du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC. La figure 3E est un cliché MEB d'une section polie d'un échantillon du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC . FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D and 3E relate to an oxygen carrier solid according to Example 4 (example according to the invention). FIG. 3A is a diffractogram obtained by X-ray diffractometry (XRD) of the oxygen carrier solid. Figure 3B shows in (a) a SEM backscattered electron micrograph and (b) an EDX mapping of a polished section of the oxygen carrier solid prior to its use in a CLC process. FIG. 3C is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid. FIG. 3D represents in (a) a SEM backscattered electron micrograph and (b) an EDX mapping of a polished section of the oxygen carrier solid after its use in a CLC process. Figure 3E is a SEM image of a polished section of a sample of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process.
Les figures 4A, 4B, et 4C concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 5 (exemple non conforme à l'invention). La figure 4A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène. La figure 4B représente un cliché MEB du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. La figure 4C représente en (a) un cliché MEB en électrons rétrodiffusé et en (b) une cartographie EDX d'une section polie du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC. FIGS. 4A, 4B and 4C relate to an oxygen-carrying solid according to Example 5 (example not in accordance with the invention). FIG. 4A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid. Figure 4B shows a SEM picture of the oxygen-carrying solid prior to its use in a CLC process. FIG. 4C shows in (a) a SEM backscattered electron micrograph and (b) an EDX mapping of a polished section of the oxygen carrier solid after its use in a CLC process.
Les figures 5A, 5B et 5C concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 6 (exemple non conforme à l'invention). La figure 5A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène. La figure 5B représente un cliché MEB sur section polie du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. La figure 5C représente un cliché MEB sur section polie du solide porteur d'oxygène après son utilisation dans un procédé CLC. Les figures 6A, 6B concernent un solide porteur d'oxygène selon l'exemple 7 (exemple conforme à l'invention). La figure 6A est un diagramme donnant des informations sur la porosité du solide porteur d'oxygène. La figure 6B représente un cliché MEB sur section polie du solide porteur d'oxygène avant son utilisation dans un procédé CLC. FIGS. 5A, 5B and 5C relate to an oxygen carrier solid according to Example 6 (example not in accordance with the invention). FIG. 5A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid. Figure 5B shows a polished section SEM of the oxygen-carrying solid prior to its use in a CLC process. Figure 5C shows a polished section SEM of the oxygen-carrying solid after its use in a CLC process. FIGS. 6A and 6B relate to an oxygen carrier solid according to Example 7 (example according to the invention). Fig. 6A is a diagram giving information on the porosity of the oxygen carrier solid. Figure 6B shows a polished section SEM of the oxygen carrier solid prior to use in a CLC process.
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 . DESCRIPTION OF THE INVENTION The object of the invention is to propose an oxygen-carrying solid for a chemical-loop oxidation-reduction process, such as a CLC process, but also for other active mass chemical loop oxidation reduction methods such as a chemical loop reforming process (CLR with reference to the term "Chemical Looping Reforming") or a method of CLOU (with reference to the expression "Chemical Looping Oxygen Uncoupling "). The present invention also relates to the preparation and use of the oxygen-carrying solid in such processes.
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 C02 et de l'eau, permettant un captage facile du C02. 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 The CLC processes generally use two separate reactors to perform on the one hand in a reduction reactor, the reduction of the active mass by means of a fuel, or more generally a gas, liquid or reducing solid. The effluents from the reduction reactor mainly contain CO 2 and water, allowing easy capture of CO 2 . On the other hand, in the oxidation reactor, the restoration of the active mass to its oxidized state by contact with air or any other oxidizing gas makes it possible to correlatively generate a hot energy vector effluent and a nitrogen stream. poor or free of nitrogen (where air is used). In the present description, reference is made in particular to the use of the oxygen carrier solid in a circulating fluidized bed CLC process, but the oxygen carrier solid according to the invention can also be used in any other type of process. chemical loop reduction (CLC, CLR, CLOU) in a fixed, mobile or bubbling bed, or in a rotating reactor. The solid carrier of oxygen
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 entre 60% et 100% poids, et préférentiellement entre 80% et 100% poids, d'au moins un tectosilicate ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, et de préférence une température de fusion supérieure à 1700°C, et entre 0% et 40% poids d'au moins un oxyde, de préférence entre 0% et 20% poids d'au moins un oxyde. Selon un mode de réalisation, la matrice en céramique est essentiellement constituée d'au moins un tectosilicate ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, et de préférence une température de fusion supérieure à 1700°C. Par essentiellement constituée on entend comportant 100% dudit tectosilicate, à 1 % près. The oxygen carrier comprises: an oxidation-reduction active mass constituting between 5% and 75% by weight of the oxygen-carrying solid, preferably between 10% and 40% by weight, the oxidation-reduction active mass comprising a metal oxide or a mixture of metal oxides and being capable of exchanging oxygen under the redox conditions of said chemical loop-redox process; a ceramic matrix in which is dispersed the oxidation-reduction active mass, the ceramic matrix constituting between 25% and 95% by weight of the oxygen-carrying solid, preferably between 60% and 90% by weight, and the ceramic matrix comprising between 60% and 100% by weight, and preferably between 80% and 100% by weight, of at least one tectosilicate having a melting temperature above 1500 ° C, and preferably a melting temperature above 1700 ° C, and between 0% and 40% by weight of at least one oxide, of preferably between 0% and 20% by weight of at least one oxide. According to one embodiment, the ceramic matrix consists essentially of at least one tectosilicate having a melting point greater than 1500 ° C., and preferably a melting temperature greater than 1700 ° C. Essentially constituted is understood to comprise 100% of said tectosilicate, to 1%.
Outre une matrice en céramique comportant au moins un feldspath ou feldspathoide ayant une température de fusion supérieure à 1500°C, et de préférence une température de fusion supérieure à 1700°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 0,9 ml/g ; le volume poreux total Vtot du 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 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. In addition to a ceramic matrix comprising at least one feldspar or feldsparoid having a melting point of greater than 1500 ° C., and preferably a melting point of greater than 1700 ° C., the oxygen-carrying solid according to the invention has a particular porosity. which, unexpectedly, makes it possible to limit the migration phenomenon of the active mass within the oxygen carrier particles. This initial texture significantly improves the lifetime of the particles in the chemical loop combustion process and is characterized in that: the total pore volume of the oxygen carrier solid Vtot, measured by mercury porosimetry, is between 0 , 05 and 0.9 ml / g; the total pore volume Vtot of the oxygen carrier solid comprises at least 10% of macropores. In other words, the pore volume of the macropores constitutes at least 10% of the total pore volume Vtot of the oxygen-carrying solid; the size distribution of the macropores within the oxygen carrier solid, measured by mercury porosimetry, is between 50 nm and 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. It is recalled that according to the IUPAC nomenclature, we speak of micropores for pores whose size is less than 2 nm, mesopores for pores whose size is between 2 and 50 nm, and macropores for pores of size greater than 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 O,22 MPa à 413 MPa. By initial texture is meant the texture prior to any use in a chemical loop-redox process such as CLC. The total pore volume of the solid is measured by mercury porosimetry, more precisely the measurement relates to the volume of mercury injected when the pressure exerted increases from 0.22 MPa to 413 MPa.
Le volume poreux total Vtot du solide porteur d'oxygène est de préférence compris entre 0,1 et 0,5 ml/g, et de manière préférée entre 0, 1 et 0,4 ml/g. The total pore volume Vtot of the oxygen-carrying solid is preferably between 0.1 and 0.5 ml / g, and preferably between 0.1 and 0.4 ml / g.
De préférence, le volume poreux total Vtot des particules est constitué pour au moins 50% par des macropores. Autrement dit, le volume poreux des macropores constitue au moins 50% du volume poreux total Vtot du 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. Preferably, the total pore volume Vtot of the particles is constituted for at least 50% by macropores. In other words, the pore volume of the macropores constitutes at least 50% of the total pore volume Vtot of the oxygen-carrying solid. The remainder of the total pore volume may be indifferently constituted by microporosity or mesoporosity in any proportion whatsoever.
La distribution en taille des macropores au sein des particules, mesurée par porosimétrie au mercure, est plus préférentiellement comprise entre 50 nm et 4 μηη, et de manière encore plus préférée comprise entre 200 nm et 1 μηη. The size distribution of the macropores within the particles, measured by mercury porosimetry, is more preferably between 50 nm and 4 μηη, and even more preferably between 200 nm and 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 (O2"). En outre, la nature de la matrice céramique du solide porteur d'oxygène comportant des tectosilicates à température de fusion élevée (supérieure à 1500°C), tel que la celsiane, permettrait de minimiser le phénomène de densification des particules parfois observé dans l'art antérieur (voir exemples 5 et 6), ce qui limiterait l'évolution de la porosité des particules au cours des cycles redox. l& mMice en céramique;, The reason (s) why this initial macroporous texture of the oxygen-bearing solid minimizes the migration of the active mass within the particles is not yet explained. Without being bound to a particular theory, the inventors attribute this phenomenon, at least partially, to the fact that the diffusional limitations, usually reported for the mesoporous particles according to the prior art, are largely minimized because of the particularly open texture of the particles according to the invention. the invention. The gases can easily access the dispersed active mass within the ceramic matrix, limiting the mobility of the active mass due to concentration gradients, particularly during the oxidation of the particles. It is known that metal cations generally migrate through the primary oxide layer formed during the oxidation of a reduced metal particle (S. Mrowec, Z. Grzesik, "Oxidation of nickel and transport properties of nickel"). oxide, J.Phys.Chem.Solids, 64, 1651, 2004), since the diffusion rate of the metal cations in the oxide layer is higher than that of the oxygen anion (O 2 " ). the nature of the ceramic matrix of the oxygen-carrying solid comprising tectosilicates with a high melting temperature (greater than 1500 ° C.), such as celsiane, would make it possible to minimize the phenomenon of densification of the particles sometimes observed in the prior art (see examples 5 and 6), which would limit the evolution of the porosity of the particles during the redox cycles. Ceramic l &mMice;
La matrice en céramique comporte au moins un tectosilicate qui est de préférence un feldspath ou un feldspathoïde, et peut être formée uniquement par un tel tectosilicate. The ceramic matrix comprises at least one tectosilicate which is preferably a feldspar or a feldspathoid, and can be formed solely by such a tectosilicate.
Les tectosilicates sont des silicates dont l'agencement des tétraèdres [Si04]4" est constitué d'une charpente à trois dimensions où chaque oxygène des sommets des tétraèdres est partagé avec les tétraèdres voisins. Les tétraèdres de base [Si04]4" que l'on retrouve dans tous les silicates sont soudés par leurs quatre sommets et chaque oxygène est lié à deux cations. On peut dériver la formule chimique des autres tectosilicates à partir de celle de la silice, généralisée en n JO?, où T indique le cation tétraédrique, essentiellement du silicium [Si04]4"ou de l'aluminium [AI04]5~. La charge négative, qui résulte du remplacement du silicium par l'aluminium dans les tétraèdres, est compensée par la présence de cations M"' (K\ Na \ Mg2+, Ca2+, Sr2', Ba2+, etc.) dans les cavités de la structure. Cette caractéristique est commune aux feldspaths, aux feldspathoïdes et aux zéolithes, mais la topologie est différente dans les trois cas. Les feldspaths sont des tectosilicates alumineux, calciques ou alcalins (sodiques ou potassiques). Tectosilicates are silicates whose arrangement of [Si0 4 ] 4 " tetrahedra is made up of a three-dimensional framework where each oxygen of the tops of the tetrahedra is shared with the neighboring tetrahedrons. [Si0 4 ] 4" base tetrahedra that we find in all silicates are welded by their four vertices and each oxygen is bound to two cations. Can the chemical formula of other tectosilicates be derived from that of silica, generalized in O ? , where T indicates the tetrahedral cation, essentially silicon [Si0 4 ] 4 " or aluminum [Al0 4 ] 5 ~ .The negative charge, which results from the replacement of silicon by aluminum in the tetrahedra, is compensated by the presence of M '' (K \ Na 2+ , Ca 2+ , Sr 2 ', Ba 2+ , etc.) cations in the cavities of the structure. This characteristic is common to feldspars, feldspathoids and zeolites, but the topology is different in all three cases. Feldspars are aluminous, calcic or alkaline tectosilicates (sodium or potassium).
Les feldspathoïdes sont des tectosilicates présentant un fort déficit en silice. Feldspathoids are tectosilicates with a high silica deficit.
La matrice en céramique comporte au moins un feldspath choisi dans la liste constituée par la celsiane, la slawsonite, l'anorthite, ou un feldspathoïde, la kalsilite. De préférence, la matrice en céramique est essentiellement constituée d'au moins un feldspath choisi dans la liste constituée par la celsiane, la slawsonite, l'anorthite. The ceramic matrix comprises at least one feldspar selected from the list consisting of celsiana, slawsonite, anorthite, or feldspathoid, kalsilite. Preferably, the ceramic matrix consists essentially of at least one feldspar selected from the list consisting of the celsian, the slawsonite, anorthite.
Les feldspaths contenant des cations alcalino-terreux (Ca2+, Si2* et Ba2+), tels que la celsiane, la slawsonite, l'anorthite, ont des propriétés mécaniques, thermiques et électriques intéressantes. En particulier, leur coefficient de dilatation thermique est très faible, par exemple de 2,29.10"6 K"1 pour la celsiane monoclinique, ce qui permet de limiter les contraintes mécaniques de déformation pour une utilisation à haute température, notamment dans des procédés d'oxydo-réduction en boucle chimique tel que le CLC. Feldspars containing alkaline earth cations (Ca 2+, Si 2 * and Ba 2+), such as celsian, the slawsonite, anorthite, have mechanical, thermal and electrical interesting. In particular, their coefficient of thermal expansion is very low, for example of 2.29 × 10 -6 K -1 for the monoclinic celsiane, which makes it possible to limit the mechanical stresses of deformation for use at high temperature, in particular in high temperature processes. oxidation reduction in a chemical loop such as CLC.
En outre, ils présentent une température de fusion élevée, supérieure à 1500°C (1550°C, 1 00°C, et 1760°C, respectivement pour l'anorthite, la slawsonite et la celsiane), ce qui est avantageux 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.). La température de fusion des feldspaths et des feldspathoïdes dépend fortement de la nature du cation Mn+, du ratio Si/AI et de l'agencement des tétraèdres dans la phase cristallographique. In addition, they have a high melting point, higher than 1500 ° C (1550 ° C, 100 ° C, and 1760 ° C, respectively for anorthite, slawsonite and celsiane), which is advantageous in the framework of oxidation-reduction processes in a chemical loop such that CLC where the temperature reached by the particles of the oxygen carrier is higher than that of the fluidizing gas, sometimes up to 120 ° C (Guo, XY; Sun, Y. L; Li, R; Yang, F. "Experimental investigations on temperature variation and inhomogeneity in a packed bed CLC reactor of large particles and low aspect ratio." Chem.Eng.Sci 107, 266, 2014.). The melting temperature of feldspars and feldspathoids strongly depends on the nature of the M n + cation, the Si / Al ratio and the arrangement of the tetrahedra in the crystallographic phase.
Selon un mode de réalisation préféré, la matrice en céramique comporte de la celsiane. Avantageusement, la matrice en céramique consiste essentiellement en de la celsiane. La celsiane est un feldspath ayant avantageusement une résistance mécanique élevée, et un coefficient de dilatation thermique très faible. Elle présente en outre un point de fusion élevé (1760°C). According to a preferred embodiment, the ceramic matrix comprises celsiane. Advantageously, the ceramic matrix consists essentially of celsiane. Celsiane is a feldspar which advantageously has a high mechanical strength and a very low coefficient of thermal expansion. It also has a high melting point (1760 ° C).
Le tableau 1 ci-dessous répertorie les feldspaths et feldspathoïdes mentionnés pouvant composer la matrice en céramique, ainsi que des exemples d'autres feldspathoïdes dont la température de fusion est inférieure à 1500 °C. Table 1 below lists the feldspars and feldspathoids mentioned that can make up the ceramic matrix, as well as examples of other feldspathoids whose melting point is below 1500 ° C.
Tableau 1  Table 1
La matrice en céramique du solide porteur d'oxygène selon l'invention peut également être constituée d'un mélange d'un ou plusieurs tectosilicates et d'autres oxydes habituellement utilisés comme supports de catalyseurs dans des procédés de raffinage du pétrole. Ainsi la matrice en céramique peut comprendre au moins un oxyde choisi dans la liste constituée par l'alumine, les aluminates métalliques, la silice, les silicates, les silicates d'aluminium, les aluminosilicates, le dioxyde de titane, les pérovskites, la zircone. The ceramic matrix of the solid carrier of oxygen according to the invention may also consist of a mixture of one or more tectosilicates and other oxides typically used as supports for catalysts in petroleum refining processes. Thus the ceramic matrix may comprise at least one oxide chosen from the list constituted by alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminum silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia.
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 O2" avec au moins deux éléments cationiques (par exemple l'aluminate de calcium CaAI204 ou l'aluminate de magnésium MgAI204). Par mélange d'oxydes on entend au moins deux composés solides distincts chacun étant un oxyde. In the present description the term oxide covers a mixed oxide, that is to say a solid resulting from the combination of oxide ions O 2 " with at least two cationic elements (for example calcium aluminate CaAl 2 0 4 or magnesium aluminate MgAl 2 0 4 ) By mixing oxides is meant at least two distinct solid compounds each being an oxide.
Selon l'invention, la matrice en céramique est obtenue à partir d'un précurseur à base de zéolithe. Les zéolithes sont des solides microporeux cristallisés de la famille des aluminosilicates que l'on peut trouver fréquemment dans la nature. Ces matériaux peuvent également être synthétisés, comme fréquemment à des fins d'utilisation en tant qu'adsorbants ou catalyseurs dans l'industrie de la chimie. Les zéolithes possèdent des structures tridimensionnelles formées par l'arrangement de tétraèdres [Si04]4~ et [AI04]5~ liés par des atomes d'oxygène pontants. L'électroneutralité de l'ensemble est assurée par la présence d'un ou plusieurs cations de compensation échangeables. La formule générale d'une zéolithe est Mx/m Alx S 92-x 03e4 ,yH20 avec Mm+ le cation extra-réseau de charge +m. According to the invention, the ceramic matrix is obtained from a precursor based on zeolite. Zeolites are crystallized microporous solids of the family of aluminosilicates that can be found frequently in nature. These materials can also be synthesized, such as frequently for use as adsorbents or catalysts in the chemical industry. Zeolites have three-dimensional structures formed by the arrangement of [Si0 4 ] 4 ~ and [Al0 4 ] 5 ~ tetrahedra bonded by bridging oxygen atoms. The electroneutrality of the assembly is ensured by the presence of one or more exchangeable compensation cations. The general formula of a zeolite is M x / m Al x S 9 2-x 0 3 e 4 , y H 2 0 with M m + the extra-network charge cation + m.
Il est connu que la celsiane peut être obtenue à partir d'une zéolithe échangée au baryum. Dans le cas des zéolithes A, X et LSX échangées par le baryum, un traitement à haute température, c'est-à-dire supérieur à 1000°C, entraîne la formation de celsiane, selon la séquence suivante : zéolithe → phase amorphe → celsiane hexagonale → celsiane monoclinique. La formation de celsiane monoclinique à partir de BaX pure (« BaX » pour zéolithe X échangée au baryum) requiert un traitement thermique de 24h à 1550°C (S. Esposito et al., A comparative study of the thermal transformations of Ba-exchanged zeolites A, X and LSX, J. Eur. Ceram. Soc, 24, 2004, 2689). Après un traitement thermique de 28h à 1 100°C, la celsiane hexagonale est toujours majoritairement présente, mais un début de cristallisation de celsiane monoclinique est observé. Outre la nature de la structure zéolithique, la présence de divers cations alcalins (par exemple Na+, Li+, K+) influe sur les températures auxquelles ces différentes transitions de phase ont lieu. Selon Esposito et al. 2004, ces différences de comportement sont liées aux différents degrés d'homogénéité compositionnelle du mélange dans les phases amorphes obtenues lors du traitement thermique de la structure microporeuse des zéolithes. Le solide porteur d'oxygène selon l'invention est préparé à partir de diverses zéolithes de faible rapport Si/AI, imprégnées par un précurseur d'une masse active d'oxydo-réduction, typiquement un nitrate métallique, qui se décomposent par calcination, de préférence sous air et à une température comprise entre 450°C et 1400°C, pour former la masse active d'oxydo-réduction (e.g. un oxyde du nitrate métallique) dispersé dans une matrice céramique composée de tectosilicates ou de mélanges de tectosilicates, en fonction de la nature du cation ou mélange de cations dans les cages zéolithiques et du ratio Si/AI de la zéolithe. La température de fusion de la matrice céramique dépend de de la nature du cation Mm+, du ratio Si/AI et de l'agencement des tétraèdres dans la phase cristallographique. La préparation du solide porteur d'oxygène selon l'invention est détaillée plus loin dans la description. It is known that celsiane can be obtained from a zeolite exchanged with barium. In the case of zeolite A, X and LSX exchanged with barium, a high temperature treatment, that is to say higher than 1000 ° C, causes the formation of celsiane, according to the following sequence: zeolite → amorphous phase → hexagonal celsiane → monoclinic celsiane. The formation of monoclinic celsiane from pure BaX ("BaX" for zeolite X exchanged with barium) requires a heat treatment of 24 ° to 1550 ° C. (S. Esposito et al., A comparative study of the thermal transformations of Ba-exchanged zeolites A, X and LSX, J. Eur Ceram Soc., 24, 2004, 2689). After a heat treatment of 28h at 1100 ° C, the hexagonal celsiane is still predominantly present, but a beginning of crystallization of monoclinic celsiane is observed. In addition to the nature of the zeolite structure, the presence of various alkaline cations (eg Na + , Li + , K + ) influences the temperatures at which these different phase transitions take place. According to Esposito et al. 2004, these differences in behavior are related to the different degrees of compositional homogeneity of the mixture in the amorphous phases obtained during the heat treatment of the microporous structure of zeolites. The oxygen carrier solid according to the invention is prepared from various zeolites of low Si / Al ratio, impregnated with a precursor of an oxidation-reduction active mass, typically a metal nitrate, which decompose by calcination, preferably in air and at a temperature of between 450 ° C. and 1400 ° C., to form the oxidation-reduction active mass (eg a metal nitrate oxide) dispersed in a ceramic matrix composed of tectosilicates or mixtures of tectosilicates, depending on the nature of the cation or cation mixture in the zeolite cages and the Si / Al ratio of the zeolite. The melting temperature of the ceramic matrix depends on the nature of the cation M m + , the Si / Al ratio and the arrangement of the tetrahedra in the crystallographic phase. The preparation of the oxygen carrier solid according to the invention is detailed later in the description.
La.masse açtwe dgxydg^ La masse atewe dgxydg ^
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 CaMn03, un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox, de préférence un spinelle d'aluminate métallique de formule CuAI204 ou de formule CuFe204. Le spinelle de formule CuFe204 est un cuprospinelle. De préférence, la masse active d'oxydo-réduction comprend au moins un oxyde de cuivre, par exemple de formule CuO, et est plus préférentiellement constituée par au moins un oxyde de cuivre, par exemple de formule CuO. The oxygen-carrying solid according to the invention comprises an oxidation-reduction active mass which comprises, and preferably consists of, at least one metal oxide included in the list consisting of Fe, Cu, Ni and Mn oxides. and Co, a perovskite having redox properties, preferably a perovskite of formula CaMnO 3 , a metal aluminate spinel having redox properties, preferably a metal aluminate spinel of formula CuAl 2 O 4 or of formula CuFe 2 4 . The spinel of formula CuFe 2 O 4 is a cuprospinelle. Preferably, the oxidation-reduction active mass comprises at least one copper oxide, for example of formula CuO, and is more preferably constituted by at least one copper oxide, for example of formula 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 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. According to the invention, the oxygen-carrying solid advantageously has a dispersed active mass within the ceramic matrix, typically an initial distribution of the relatively homogeneous active mass, and the migration of the active mass within the particles of the solid carrier. Oxygen is minimized during the redox cycles of the chemical-loop oxidation-reduction process as exemplified by some examples later in the 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. The oxido-reducing active mass is capable of exchanging oxygen under the redox conditions of the chemical loop redox process. The active mass is reduced according to the reaction (1) already described above, during a contact reduction step a hydrocarbon feedstock, and is oxidized according to the reaction (2) or (3) already described above, during an oxidation step in contact with an oxidizing gas.
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. The oxygen storage capacity of the oxido-reducing active mass is advantageously, depending on the type of material, between 1% and 15% by weight. Advantageously, the amount of oxygen effectively transferred by the metal oxide is between 1 and 3% by weight, which makes it possible to use only a fraction of the oxygen transfer capacity.
FQime du_ sojide_gort^ FQime du_ sojide_gort ^
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. The oxygen carrier solid according to the invention is preferably in the form of particles, which can be fluidized in the oxidation-reduction process in a chemical loop, in particular be implemented in a circulating fluidized bed. They may be fluidizable particles (fluidizable powder, generally called "fluidisable carrier" in English) belonging to groups A, B or C of the Geldart classification (D. Geldart, "Types of gas fluidization", Powder Technol. (5), 285-292, 1973), and preferably the particles belong to group A or group B of the Geldart classification, and preferably to group B of the Geldart classification.
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. Preferably, the particles of the oxygen-carrying solid have a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 μηη and 600 μηη, more preferably a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 80 μηη and 400 μηη, more preferably a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 100 μηη and 300 μηη, and even more preferably a particle size such that more than 95% of the particles have a size between 100 μηη and 300 μηη.
De préférence, les particules du solide porteur d'oxygène ont une densité de grain comprise entre 500 kg/m3 et 5000 kg/m3, de préférence une densité de grain comprise entre 800 kg/m3 et 4000 kg/m3, et encore plus préférentiellement une densité de grain comprise entre 1000 kg/m3 et 3000 kg/m3. Preferably, the particles of the oxygen-carrying solid have a grain density of between 500 kg / m 3 and 5000 kg / m 3 , preferably a grain density of between 800 kg / m 3 and 4000 kg / m 3 , and even more preferably a grain density of between 1000 kg / m 3 and 3000 kg / m 3 .
Les particules du solide porteur d'oxygène sont de préférence sensiblement sphériques. The particles of the oxygen-bearing solid are preferably substantially spherical.
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. Size distribution and morphology of particles for use in another type of chemical loop process (CLC, CLR, CLOU) in fixed bed, moving bed or rotating reactor are adapted to the envisaged process. For example, in the case of a use of the oxygen carrier solid in a process using a fixed bed or rotating reactor technology, the preferred size of the particles is greater than 400 μηη, in order to minimize the pressure losses. in the reactor (s), and the morphology of the particles is not necessarily spherical. The morphology is dependent on the shaping mode, for example in the form of extrudates, beads, monoliths or particles of any geometry obtained by grinding larger particles. In the case of a shaping of monolithic type, the solid carrier of oxygen, in the form of particles, is deposited on the surface of the ceramic monolith channels by the coating methods known to those skilled in the art. or the monolith itself consists of the particles according to the invention.
La taille des particules peut être mesurée par granulométrie laser. Particle size can be measured by laser particle size.
La distribution en taille des particules 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. The size distribution of the particles is preferably measured using a laser granulometer, for example Malvern Mastersizer 3000, preferably in a liquid path, and using the Fraunhofer theory.
Préparation du solide porteur d'oxygène Preparation of the oxygen carrier solid
Le solide porteur d'oxygène est préparé selon un procédé comportant les étapes suivantes : Etape (A) : préparation d'un précurseur d'une matrice céramique L'étape (A) comporte : - a1 ) la préparation d'un matériau zéolithique macroporeux, ledit matériau comportant des cristaux de zéolithe de diamètre moyen en nombre inférieur ou égal à 3 μηη, et de préférence de diamètre moyen en nombre compris entre 0,4 μηη et 2 μηη, et encore plus préférentiellement de diamètre moyen en nombre compris entre 0,5 μηη et 1 ,7 μηη; et - a2) un échange cationique dudit matériau zéolithique macroporeux avec une solution d'ions précurseurs, les ions précurseurs étant choisis pour former un tectosilicate de température de fusion > 1500°C de la matrice céramique à l'issue de l'étape (D), ledit échange cationique étant suivi d'un lavage dudit matériau zéolithique macroporeux, pour obtenir ledit précurseur de la matrice céramique. Etape al} The oxygen carrier solid is prepared according to a process comprising the following steps: Step (A): Preparation of a Precursor of a Ceramic Matrix Step (A) comprises: - a1) the preparation of a macroporous zeolite material said material comprising zeolite crystals with a mean diameter of less than or equal to 3 μηη, and preferably a number-average diameter of between 0.4 μηη and 2 μηη, and even more preferably a number-average diameter of between 0 , 5 μηη and 1, 7 μηη; and - a2) a cationic exchange of said macroporous zeolite material with a solution of precursor ions, the precursor ions being chosen to form a tectosilicate with a melting point> 1500 ° C. of the ceramic matrix at the end of step (D ), said cation exchange being followed by a washing of said macroporous zeolite material to obtain said precursor of the ceramic matrix. Step al}
De préférence, l'étape a1 ) de préparation d'un matériau zéolithique macroporeux comporte les étapes suivantes : Preferably, step a1) for preparing a macroporous zeolite material comprises the following steps:
- a'1 ) l'agglomération des cristaux de zéolithe avec un liant argileux pour former un aggloméré zéolithique ; - a'1) agglomeration of zeolite crystals with a clay binder to form a zeolite agglomerate;
- a'2) la mise en forme de l'aggloméré zéolithique obtenu à l'étape a'1 ) pour produire des particules, suivie d'un séchage desdites particules, et éventuellement suivi d'une étape de tamisage et/ou de cyclonage ; - a'2) the shaping of the zeolite agglomerate obtained in step a'1) to produce particles, followed by drying of said particles, and possibly followed by a sieving and / or cycloning step ;
- a'3) la calcination des particules de l'aggloméré zéolithique obtenues à l'étape a'2) à une température comprise entre 500°C et 600°C pour produire le matériau zéolithique macroporeux sous forme de particules. Les particules produites ont une résistance mécanique suffisante pour leur utilisation ultérieure ; - a'3) calcination of the zeolite agglomerate particles obtained in step a'2) at a temperature between 500 ° C and 600 ° C to produce the macroporous zeolite material in particulate form. The particles produced have sufficient mechanical strength for their subsequent use;
- a'4) optionnellement la zéolithisation du liant argileux par mise en contact du produit résultant de l'étape a'3) avec une solution aqueuse basique alcaline, suivie d'un lavage. - a'4) optionally the zeolitization of the clay binder by contacting the product resulting from step a'3) with an alkaline basic aqueous solution, followed by washing.
Le liant argileux est un liant d'agglomération destiné à assurer la cohésion des cristaux sous forme de particules. Ce liant peut également contribuer à conférer une résistance mécanique aux particules pour qu'elles puissent résister aux contraintes mécaniques auxquelles elles sont soumises lors de leur mise en œuvre au sein des unités d'oxydo-réduction en boucle chimique. The clay binder is an agglomeration binder intended to ensure the cohesion of the crystals in the form of particles. This binder can also contribute to imparting mechanical resistance to the particles so that they can withstand the mechanical stresses to which they are subjected during their implementation within the chemical loop redox units.
Les proportions de liant d'agglomération et de zéolithe mises en œuvre peuvent être typiquement de 5 parties à 20 parties en poids de liant pour 95 parties à 80 parties en poids de zéolithe. The proportions of agglomeration binder and zeolite employed can be typically from 5 parts to 20 parts by weight of binder per 95 parts to 80 parts by weight of zeolite.
Lors de l'étape a1 ), outre les cristaux de zéolite et le liant argileux, on peut mélanger les cristaux de zéolithe à au moins un oxyde choisi dans la liste constituée par l'alumine, les aluminates métalliques, la silice, les silicates, les silicates d'aluminium, les aluminosilicates, le dioxyde de titane, les pérovskites, la zircone. Ainsi, on obtiendra à l'issu du procédé un solide porteur d'oxygène comportant une quantité non nulle et inférieure à 40%, de préférence inférieure à 20%, d'oxyde dans la matrice céramique autre que le ou les tectosilicates de température de fusion supérieur à 1500°C. In step a1), in addition to the zeolite crystals and the clay binder, the zeolite crystals may be mixed with at least one oxide selected from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminum silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia. Thus, it will be obtained at the end of the process an oxygen carrier solid having a non-zero and less than 40%, of preferably less than 20%, oxide in the ceramic matrix other than the tectosilicates or melting temperature greater than 1500 ° C.
Alternativement, un tel oxyde pourra s'être formé, dans les quantités désirées, à l'issu des traitements de l'aggloméré zéolithique et du précurseur de la matrice céramique, sans addition dudit oxyde aux cristaux de zéolithe lors de l'étape (A). Alternatively, such an oxide may be formed, in the desired quantities, at the end of the treatments of the zeolite agglomerate and the precursor of the ceramic matrix, without adding said oxide to the zeolite crystals during step (A). ).
Lors de l'étape a1 ), on peut également mélanger les cristaux de zéolithe à un agent porogène destiné à augmenter la macroporosité du matériau zéolithique macroporeux. In step a1), it is also possible to mix the zeolite crystals with a pore-forming agent intended to increase the macroporosity of the macroporous zeolite material.
Lors de l'étape a1 ), on peut aussi mélanger les cristaux de zéolithe à la fois à au moins l'un des oxydes précités et à un agent porogène. Lors de l'étape a1 ), d'autre additifs peuvent également être mis en œuvre, destinés à faciliter l'agglomération et/ou à améliorer le durcissement et/ou augmenter la macroporosité des agglomérés formés. In step a1), it is also possible to mix the zeolite crystals with at least one of the abovementioned oxides and with a pore-forming agent. In step a1), other additives may also be used, intended to facilitate the agglomeration and / or to improve the hardening and / or increase the macroporosity of the agglomerates formed.
Avantageusement, les cristaux zéolithiques comprennent au moins une zéolithe de rapport molaire Si/AI compris entre 1 ,00 et 1 ,50, et de préférence au moins une zéolithe choisie parmi les zéolithes A, X, LSX et low-silica EMT. Les zéolithes A sont de type structural LTA, et de rapport Si/AI =1. Les zéolithes X sont de type structural FAU et de rapport Si/AI compris entre 1 et 1 ,5, comme c'est le cas pour la zéolithe LSX (Low Silica X). Les zéolithes low- silica EMT sont de type structural EMT et de rapport Si/AI compris entre 1 ,0 et 1 ,4 (Mintova et al., Chem. Mater., 24, 4758-4765, 2012, et Science, Jan. 2012, 335, 70-73). L'homme du métier peut se référer à l'ouvrage "Atlas of zeolite framework types", 6th revised Edition, 2007, Ch.Baerlocher, W.M.Meier, D. H. Oison pour obtenir les caractéristiques de ces types de zéolithes. Il peut donc s'agir de cristaux formés par une seule des zéolithes mentionnées, ou par un mélange desdites zéolithes, et de préférence par une seule des zéolithes mentionnées, notamment la zéolithe X ou LSX. Les cristaux de zéolite A, X, LSX et low-silica EMT peuvent être issus de synthèse et les cations compensateurs sont majoritairement, voire exclusivement des cations sodium (par exemple cristaux de NaX (ou 13X), NaA (ou 4A)), mais on ne sort pas du cadre de l'invention en utilisant des cristaux ayant subi un ou plusieurs échanges cationiques, entre la synthèse sous forme sodique et leur mise en œuvre à l'étape a1 ). L'estimation du diamètre moyen en nombre des cristaux de zéolithe X utilisée à l'étape a1 ) et des cristaux de zéolithe X contenue dans les agglomérés est de préférence réalisée par observation au microscope électronique à balayage (MEB) ou par observation au microscope électronique en transmission (MET). Afin d'estimer la taille des cristaux de zéolithe sur les échantillons, on effectue un ensemble de clichés à un grossissement d'au moins 5000. On mesure ensuite le diamètre d'au moins 200 cristaux à l'aide d'un logiciel dédié, par exemple le logiciel Smile View de l'éditeur LoGraMi. La précision est de l'ordre de 3%. Advantageously, the zeolitic crystals comprise at least one zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, and preferably at least one zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT. Zeolites A are of structural type LTA, and of ratio Si / Al = 1. X zeolites are of structural type FAU and Si / Al ratio of between 1 and 1.5, as is the case for the LSX zeolite (Low Silica X). The low-silica EMT zeolites are of structural type EMT and Si / Al ratio of between 1.0 and 1.4 (Mintova et al., Chem Mater 24, 4758-4765, 2012, and Science, Jan. 2012, 335, 70-73). Those skilled in the art can refer to the "Atlas of zeolite framework types", 6th revised Edition, 2007, Ch.Baerlocher, WMMeier, DH Oison to obtain the characteristics of these types of zeolites. It may therefore be crystals formed by only one of the zeolites mentioned, or by a mixture of said zeolites, and preferably by only one of the zeolites mentioned, in particular zeolite X or LSX. The zeolite crystals A, X, LSX and low-silica EMT can be derived from synthesis and the compensating cations are mainly, or even exclusively, sodium cations (for example NaX (or 13X), NaA (or 4A) crystals), but it is not beyond the scope of the invention using crystals having undergone one or more cationic exchanges, between the synthesis in sodium form and their implementation in step a1). The estimation of the number average diameter of the zeolite X crystals used in step a1) and the zeolite X crystals contained in the agglomerates is preferably carried out by observation under a scanning electron microscope (SEM) or by observation under an electron microscope in transmission (MET). In order to estimate the size of the zeolite crystals on the samples, a set of images is carried out at a magnification of at least 5000. The diameter of at least 200 crystals is then measured using dedicated software. for example the Smile View software from the LoGraMi editor. The accuracy is of the order of 3%.
L'étape optionnelle a'4) de zéolithisation du liant argileux permet de transformer tout ou partie du liant en zéolithe, de préférence en zéolithe de rapport molaire Si/AI compris entre 1 ,00 et 1 ,50, et de préférence en zéolithe A, X, LSX ou low-silica EMT, afin d'obtenir un matériau zéolithique macroporeux constitué essentiellement de zéolithe, la phase non zéolithique étant typiquement en quantité inférieure à 5%, et correspondant à du liant résiduel non zéolithisé ou toute autre phase amorphe après zéolithisation, et ce, tout en maintenant, voire en améliorant, la résistance mécanique du matériau zéolithique macroporeux, ainsi que l'enseignent les brevets FR 2 903 978 et FR 2 925 366. The optional step a'4) of zeolitization of the clay binder makes it possible to convert all or part of the binder into zeolite, preferably into zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, and preferably zeolite A , X, LSX or low-silica EMT, in order to obtain a macroporous zeolite material consisting essentially of zeolite, the non-zeolite phase being typically in an amount of less than 5%, and corresponding to non-zeolite residual binder or any other amorphous phase after zeolitization, while maintaining or even improving the mechanical strength of the macroporous zeolite material, as taught by patents FR 2 903 978 and FR 2 925 366.
Le liant d'agglomération argileux mis en œuvre à l'étape a'1 ) comprend, et de préférence consiste en, une argile ou un mélange d'argiles, auxquelles on peut ajouter une source de silice. Ces argiles sont de préférence choisies parmi les kaolins, kaolinites, nacrites, dickites, halloysites, attapulgites, sépiolites, montmorillonites, bentonites, illites et métakaolins, ainsi que les mélanges de deux ou plusieurs d'entre elles en toutes proportions. Dans le cas de l'étape optionnelle a'4) de zéolithisation le liant d'agglomération argileux mis en œuvre à l'étape a'1 ) contient au moins 80 % de préférence au moins 90%, de préférence encore au moins 95%, plus particulièrement au moins 96%, en poids, d'argile zéolithisable et peut également contenir d'autres minéraux tels que bentonite, attapulgite, et autres. Par argile zéolithisable, on entend une argile ou un mélange d'argiles qui sont susceptibles d'être converties en matière zéolithique, le plus souvent par action d'une solution basique alcaline. L'argile zéolithisable appartient en général à la famille des kaolins, kaolinites, nacrites, dickites, halloysite et/ou métakaolins. Le kaolin est préféré et le plus couramment utilisé. Après le séchage à l'étape a'2), la calcination à l'étape a'3) est menée à une température en général comprise entre 500°C et 600°C, par exemple à 550°C, et permet de transformer l'argile zéolithisable, typiquement le kaolin, en méta-kaolin qui peut après être converti en zéolithe lors de l'étape optionnelle de zéolithisation (étape a'4)). Le principe en est exposé dans « Zeolite Molecular Sieves » de D.W. Breck, John Wiley and Sons, New York, (1973), p. 314-315. La zéolithisation du liant d'agglomération est pratiquée selon toute méthode maintenant bien connue de l'homme du métier et peut par exemple être réalisée par immersion du produit de l'étape a'3) dans une solution basique alcaline, en général aqueuse, par exemple une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium et/ou d'hydroxyde de potassium. The clay agglomeration binder used in step a '1) comprises, and preferably consists of, a clay or a mixture of clays, to which a source of silica may be added. These clays are preferably chosen from kaolins, kaolinites, nacrites, dickites, halloysites, attapulgites, sepiolites, montmorillonites, bentonites, illites and metakaolins, as well as mixtures of two or more of them in all proportions. In the case of the optional zeolitization step a'4), the clay agglomeration binder used in step a'1) contains at least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95% more particularly at least 96% by weight of zeolitizable clay and may also contain other minerals such as bentonite, attapulgite, and the like. By zeolitic clay is meant a clay or a mixture of clays which are capable of being converted into zeolite material, most often by the action of an alkaline basic solution. Zeolizable clay generally belongs to the family of kaolin, kaolinite, nacrite, dickite, halloysite and / or metakaolin. Kaolin is preferred and most commonly used. After drying in step a'2), the calcination in step a'3) is carried out at a temperature in general of between 500 ° C. and 600 ° C., for example at 550 ° C., and makes it possible to transform zeolitic clay, typically kaolin, in meta-kaolin which can after being converted to zeolite during the optional zeolitization step (step a'4)). The principle is exposed in "Zeolite Molecular Sieves" by DW Breck, John Wiley and Sons, New York, (1973), p. 314-315. The zeolitization of the agglomeration binder is carried out according to any method now well known to those skilled in the art and may for example be carried out by immersion of the product of step a'3) in an alkaline basic solution, generally aqueous, by an aqueous solution of sodium hydroxide and / or potassium hydroxide.
A l'issue de l'étape a1 ) le matériau zéolithique macroporeux contient des cations alcalins ou alcalino-terreux, et plus généralement des cations sodium et/ou potassium. At the end of step a1) the macroporous zeolite material contains alkaline or alkaline earth cations, and more generally sodium and / or potassium cations.
Le matériau zéolithique macroporeux à l'issue de l'étape a1 ) peut également être obtenu, alternativement à la succession d'étapes a'1 ) à a'4) décrites ci-dessus, par toute méthode alternative conduisant à des particules zéolithiques, et en particulier par la méthode décrite dans le brevet US 4 818 508 en partant d'agglomérats d'argile zéolithisable soumis à une zéolithisation par action d'une solution basique alcaline. The macroporous zeolite material at the end of step a1) can also be obtained, alternatively with the succession of steps a'1) to a'4) described above, by any alternative method leading to zeolite particles, and in particular by the method described in US Pat. No. 4,818,508 starting from agglomerates of zeolitic clay subjected to zeolitization by the action of an alkaline basic solution.
Etage a2} Floor a2}
L'échange cationique (étape a2) peut être réalisé avec une solution comportant des ions alcalins, de préférence K+, ou des ions alcalino-terreux, et de préférence avec une solution comportant des ions alcalino-terreux. The cationic exchange (step a2) can be carried out with a solution comprising alkaline ions, preferably K + , or alkaline earth ions, and preferably with a solution comprising alkaline earth ions.
L'échange cationique est plus préférentiellement réalisé avec une solution comportant des ions choisis parmi les ions Ba2+, Sr2+, Ca2+, et encore plus préférentiellement avec une solution comportant des ions Ba2+. De préférence, la solution utilisée est une solution aqueuse dans laquelle est dissous un sel, de préférence un sel de baryum comme le chlorure de baryum BaCI2, un sel de strontium comme le chlorure de strontium SrCI2 ou un sel de calcium comme le chlorure de calcium CaCI2, et de préférence le sel de baryum BaCI2. The cationic exchange is more preferably carried out with a solution comprising ions selected from Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ ions, and even more preferably with a solution comprising Ba 2+ ions. Preferably, the solution used is an aqueous solution in which a salt is dissolved, preferably a barium salt such as barium chloride BaCl 2 , a strontium salt such as strontium chloride SrCl 2 or a calcium salt such as chloride calcium CaCl 2 , and preferably BaCl 2 barium salt.
L'étape a2) d'échange cationique de la zéolithe s'effectue par mise en contact du matériau zéolithique macroporeux issu de l'étape a1 ), en particulier le matériau zéolithique macroporeux sous forme de particules issu de l'étape a'3) ou a'4), avec un sel métallique alcalin ou alcalino-terreux, tel que BaCI2, en solution aqueuse, de préférence à une température comprise entre la température ambiante et 100°C, et de préférence à une température comprise entre 80°C et 100°C. Pour obtenir rapidement un taux d'échange en cation, e.g. baryum, élevé, i.e. supérieur à 90 %, on préfère opérer avec un large excès du cation d'échange par rapport aux cations de la zéolithe que l'on souhaite échanger. Step a2) of cationic exchange of the zeolite is carried out by contacting the macroporous zeolite material resulting from step a1), in particular the macroporous zeolite material in the form of particles resulting from step a'3) or a'4), with an alkali or alkaline earth metal salt, such as BaCl 2 , in aqueous solution, preferably at a temperature between room temperature and 100 ° C, and preferably at a temperature between 80 ° C and 100 ° C. To quickly obtain an exchange rate in cation, eg barium, high, ie greater than 90%, it is preferred to operate with a large excess of the cation exchange with respect to the cations of the zeolite that is to be exchanged.
L'analyse chimique du précurseur de la matrice céramique issu de l'étape a2) ou des cristaux de zéolithe utilisés dans l'étape a1 ) est réalisée selon les techniques classiques, notamment par fluorescence de rayons X telle que décrite dans la norme NF EN ISO 12677 : 201 1 sur un spectromètre dispersif en longueur d'onde (WDXRF), par exemple Tiger S8 de la société Bruker, ou par spectrométrie d'émission atomique avec plasma induit par haute fréquence (ICP-OES pour Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy selon la terminologie anglo-saxonne) selon la norme UOP 961-12. L'échange cationique des zéolithes peut se faire sans destruction de la structure zéolithique. En revanche, il est connu qu'une destruction totale de la structure zéolithique peut être obtenue si on chercher à déshydrater la zéolithe échangée, comme par exemple dans le cas de la zéolithe A ainsi échangée au baryum (Howard S. Sherry, Harold F. Walton. « The lon- Exchange Properties of Zeolites ». II. Ion Exchange, Synthetic Zeolite Linde 4-A. J. Phys. Chem., vol. 71 , n° 5, p. 1457, 1967). Ainsi, le précurseur de la matrice céramique obtenu à l'issu de l'étape optionnelle a3) de traitement thermique peut être totalement ou partiellement amorphe, notamment dans le cas où la zéolithe A est utilisée à l'étape a1 ), ou lorsque la température du traitement thermique de l'étape a3) est trop élevée pour conserver la structure zéolithique. Etape a3J_ The chemical analysis of the precursor of the ceramic matrix resulting from step a2) or zeolite crystals used in step a1) is carried out according to conventional techniques, in particular by X-ray fluorescence as described in standard NF EN ISO 12677: 201 1 on a wavelength dispersive spectrometer (WDXRF), for example Tiger S8 from Bruker, or by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES for Inductively Coupled Plasma-Optical Spectroscopy emission according to the English terminology) according to the UOP 961-12 standard. The cationic exchange of zeolites can be done without destroying the zeolite structure. On the other hand, it is known that a total destruction of the zeolite structure can be obtained if it is sought to dehydrate the zeolite exchanged, as for example in the case of zeolite A thus exchanged with barium (Howard S. Sherry, Harold F. Walton, "The Exchange-Traded Properties of Zeolites." IIon Exchange, Synthetic Zeolite Linde 4-AJ Phys Chem, 71, 5, 1457, 1967). Thus, the precursor of the ceramic matrix obtained at the end of the optional thermal treatment step a3) can be totally or partially amorphous, in particular in the case where the zeolite A is used in step a1), or when the temperature of the heat treatment of step a3) is too high to maintain the zeolite structure. Step a3J_
La préparation du précurseur de la matrice en céramique lors de l'étape (A) peut en outre comporter une étape supplémentaire a3) de traitement thermique du matériau zéolithique macroporeux obtenu l'étape a2). Ce traitement thermique comporte une étape de séchage à une température comprise entre 100°C et 400°C. Etape (B) : imprégnation du précurseur de la matrice céramique The preparation of the precursor of the ceramic matrix during step (A) may further comprise an additional step a3) of heat treatment of the macroporous zeolite material obtained in step a2). This heat treatment comprises a drying step at a temperature of between 100 ° C. and 400 ° C. Step (B): impregnation of the precursor of the ceramic matrix
Le précurseur de la matrice céramique obtenu à l'étape (A) est imprégné par un composé précurseur d'une masse active d'oxydo-réduction. The precursor of the ceramic matrix obtained in step (A) is impregnated with a precursor compound of an oxidation-reduction active mass.
L'imprégnation peut être réalisée 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 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(N03)2.xH20, Ni(N03)2.xH20, Co(N03)2.xH20, Fe(N03)3.xH20, Mn(N03)2.xH20. Avantageusement, le nitrate de cuivre de cuivre Cu(N03)2.xH20 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. The impregnation may be carried out with an aqueous or organic solution containing at least one soluble precursor compound of copper, nickel, cobalt, iron or manganese. Preferably, the impregnation is carried out with an aqueous solution containing at least one precursor compound of the oxidation-reduction active mass chosen from the list consisting of the nitrates of the following formulas: Cu (N0 3 ) 2.xH 2 0, Ni (N0 3 ) 2 .xH 2 O, Co (NO 3 ) 2.xH 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .xH 2 O, Mn (NO 3 ) 2 .xH 2 0. Advantageously, the copper nitrate of Copper Cu (N0 3 ) 2 .xH 2 0 is chosen to carry out this impregnation, in order to obtain an oxido-reducing active mass of copper oxide (s), for example a copper oxide of formula CuO, to form the solid carrier of oxygen.
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. The amount of precursor of the oxidation-reduction active mass used for the impregnation stage is chosen so that the active redox mass constitutes between 5% and 75% by weight of the solid carrier substance. oxygen.
L'imprégnation peut être réalisée en une ou plusieurs étapes successives. The impregnation can be carried out in one or more successive stages.
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. Etape (C) : mise en forme du précurseur de la matrice céramique If the impregnation is carried out in several successive stages, intermediate stages of drying at a temperature of between 30 ° C. and 200 ° C. and / or calcination at a temperature of between 200 ° C. and 600 ° C. are preferably carried out. Step (C): shaping of the precursor of the ceramic matrix
Le précurseur de la matrice céramique est mis sous forme de particules au cours de l'étape (a1 ) ou à l'issue de l'étape (B). The precursor of the ceramic matrix is formed into particles during step (a1) or after step (B).
La mise en forme au cours de l'étape a1 ) a été décrite plus haut. Il s'agit de la mise en forme à l'étape a'2) de l'aggloméré zéolithique obtenu à l'étape a'1 ). Lors de cette étape a'2) la mise en forme est suivie d'un séchage des particules, qui est éventuellement suivi d'une étape de tamisage et/ou de cyclonage. The shaping in step a1) has been described above. This is the shaping in step a'2) of the zeolite agglomerate obtained in step a'1). During this step a'2) the shaping is followed by a drying of the particles, which is optionally followed by a sieving and / or cycloning step.
Lors de cette étape (C), on met en forme le précurseur de la matrice céramique de manière à obtenir des particules ayant une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 500 μηη. Si une mise en œuvre en lit fluidisé circulant est envisagée pour le procédé d'oxydo- réduction en boucle chimique utilisant le solide porteur d'oxygène, on préférera réaliser une mise en forme de manière à obtenir une distribution en taille des particules de l'aggloméré zéolithique, ou du précurseur de la matrice céramique issu de l'étape (B), telle que lesdites particules appartiennent à la classe A ou à la classe B de la classification de Geldart. De manière préférée, la mise en forme est réalisée de manière à produire des particules de granulométrie suivante : plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 500 μηη, et une densité de grain comprise entre 500 kg/m3 et 5000 kg/m3. De manière très préférée, la mise en forme est réalisée de manière à produire des particules de granulométrie suivante : plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 300 μηη, et une densité de grain comprise entre 800 kg/m3 et 4000 kg/m3. De manière encore plus préférée, la mise en forme est réalisée de manière à produire des particules de granulométrie suivante : plus de 95% des particules ont une taille comprise entre 100 μηη et 300 μηη, et une densité de grain comprise entre 1000 kg/m3 et 3000 kg/m3. La mise en forme, qui peut suivre directement l'étape d'agglomération a'1 ), peut être effectuée par toute les techniques connues de l'homme du métier, telles que l'extrusion, le compactage, l'agglomération sur assiette granulatrice, tambour granulateur, la granulation humide ou à sec (« wet or dry granulation » en anglais), etc., et de préférence par granulation ou tout autre technique permettant d'obtenir des particules de forme sphérique. La mise en forme peut comprendre éventuellement une étape de tamisage et/ou de cyclonage, afin d'obtenir des agglomérés de la granulométrie souhaitée. During this step (C), the precursor of the ceramic matrix is shaped so as to obtain particles having a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 100 μηη and 500 μηη. If a circulating fluidized bed implementation is envisaged for the chemical loop oxidation-reduction process using the oxygen-carrying solid, it will be preferred to perform a shaping so as to obtain a size distribution of the particles of the zeolite agglomerate, or precursor of the ceramic matrix from step (B), such that said particles belong to class A or class B of the Geldart classification. In a preferred manner, the shaping is carried out so as to produce particles having the following particle size: more than 90% of the particles have a size of between 100 μηη and 500 μηη, and a grain density of between 500 kg / m 3 and 5000 kg / m 3 . Very preferably, the shaping is carried out so as to produce particles of the following particle size: more than 90% of the particles have a size of between 100 μηη and 300 μηη, and a grain density of between 800 kg / m 3 and 4000 kg / m 3 . Even more preferably, the shaping is carried out so as to produce particles having the following particle size: more than 95% of the particles have a size of between 100 μηη and 300 μηη, and a grain density of between 1000 kg / m 3 and 3000 kg / m 3 . The shaping, which can directly follow the agglomeration stage a '1), can be carried out by any techniques known to those skilled in the art, such as extrusion, compaction, agglomeration on a granulating plate. , granulator drum, wet or dry granulation, etc., and preferably by granulation or any other technique making it possible to obtain particles of spherical shape. The shaping may optionally comprise a sieving and / or cycloning step, in order to obtain agglomerates of the desired particle size.
Etape (D) : séchage du précurseur de la matrice céramique Step (D): Drying of the precursor of the ceramic matrix
Le précurseur de la matrice céramique imprégné sous forme de particules obtenu à l'issu de l'ensemble des étapes (A), (B) et (C) est soumis à une étape de séchage. Ce séchage est de préférence effectué sous air ou sous atmosphère contrôlée (humidité relative contrôlée, sous azote), à une température comprise entre 30°C et 200°C. Par atmosphère contrôlée on entend par exemple avec une humidité relative contrôlée ou sous azote. The precursor of the impregnated ceramic matrix in the form of particles obtained at the end of all of the steps (A), (B) and (C) is subjected to a drying step. This drying is preferably carried out in air or in a controlled atmosphere (controlled relative humidity, under nitrogen), at a temperature of between 30 ° C. and 200 ° C. For controlled atmosphere is meant for example with a controlled relative humidity or under nitrogen.
Plus préférentiellement le séchage est effectué sous air à une température comprise entre 100°C et 150°C. More preferably, the drying is carried out in air at a temperature of between 100 ° C. and 150 ° C.
Etape (E) : calcination du précurseur de la matrice céramique Step (E): calcination of the precursor of the ceramic matrix
Le précurseur de la matrice céramique imprégné et séché obtenu à l'étape (D) est calciné pour l'obtention du solide porteur d'oxygène sous forme de particules. Cette calcination est de préférence effectuée sous air entre 450°C et 1400°C, plus préférentiel lement entre 600°C et 1000°C, et encore plus préférentiellement entre 700°C et 900°C. The precursor of the impregnated and dried ceramic matrix obtained in step (D) is calcined to obtain the particulate oxygen carrier solid. This calcination is preferably carried out in air between 450 ° C. and 1400 ° C., more preferably between 600 ° C. and 1000 ° C., and even more preferably between 700 ° C. and 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 . This calcination can be carried out for a period of 1 to 24 hours, and preferably for a period of 5 to 15 hours.
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. Advantageously, a ramp for increasing the temperature between 1 ° C./min and 50 ° C./min, and preferably between 5 ° C./min and 20 ° C./min, is applied to reach the given calcination temperature. The time to implement this temperature ramp is not included in the calcination time ranges indicated above.
La calcination permet la formation du ou des tectosilicates de la matrice en céramique solide porteur d'oxygène sous forme de particules, matrice au sein de laquelle la masse active oxydo-réductrice est dispersée. The calcination enables the formation of the tectosilicate (s) of the solid ceramic matrix carrying oxygen in the form of particles, a matrix in which the redox active mass is dispersed.
Il apparaît également que l'étape de calcination (E) 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. It also appears that the calcination step (E) has a limited impact on the initial macroporous structure of the particles, and all the more limited when the calcination is carried out at a temperature between 700 ° C and 900 ° C. A small increase in macropore diameter and a small decrease in total pore volume can be observed.
Selon un mode de réalisation préféré, la préparation d'un porteur d'oxygène de formule CuO/BaAI2Si208 selon l'invention est réalisée selon les étapes suivantes : Tout d'abord on réalise l'étape (A) de préparation d'un précurseur d'une matrice céramique de celsiane sous forme de particules. According to a preferred embodiment, the preparation of an oxygen carrier of formula CuO / BaAl 2 Si 2 O 8 according to the invention is carried out according to the following steps: Firstly, step (A) of preparation of a precursor of a ceramic matrix of celsiana in the form of particles.
Le précurseur de la matrice céramique BaAI2Si208 est un aggloméré zéolithique macroporeux constitué essentiellement de zéolithe à faible rapport atomique Si/AI, c'est-à- dire à rapport Si/AI inférieur à 1 , 5 (et supérieur à 1 ). Les cristaux zéolithiques peuvent comprendre une zéolithe choisie parmi les zéolithes A, X, LSX et low-silica EMT, seule ou en mélange. Les zéolithes de l'aggloméré sont échangées au baryum. Le précurseur de la matrice céramique BaAI2Si208 est préparé selon les étapes suivantes : a1 ) la préparation d'un matériau zéolithique macroporeux comportant une agglomération de cristaux de zéolithe de rapport atomique Si/AI compris entre 1 ,00 et 1 ,50, par exemple de zéolithe A, X, LSX, low-silica EMT, seuls ou en mélange, de diamètre moyen en nombre inférieur ou égal à 3 μηη, de préférence compris entre 0,4 μηη et 2 μηη, et de manière préférée compris entre 0,5 μηη et 1 ,7 μηη, avec un liant à base d'une argile ou d'un mélange d'argiles (étape a'1 ), et une mise en forme pour former des particules, puis un séchage des particules (étape a'2), suivi d'une calcinationThe precursor of the ceramic matrix BaAl 2 Si 2 O 8 is a macroporous zeolite agglomerate consisting essentially of zeolite with a low Si / Al atomic ratio, that is to say with an Si / Al ratio of less than 1.5 (and greater than 1). The zeolitic crystals may comprise a zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT, alone or as a mixture. The zeolites of the agglomerate are exchanged with barium. The precursor of the BaAl 2 Si 2 O 8 ceramic matrix is prepared according to the following steps: a1) the preparation of a macroporous zeolite material comprising an agglomeration of zeolite crystals with an Si / Al atomic ratio of between 1.00 and 1, 50, by example of zeolite A, X, LSX, low-silica EMT, alone or as a mixture, with a mean diameter less than or equal to 3 μηη, preferably between 0.4 μηη and 2 μηη, and preferably between 0 , 5 μηη and 1, 7 μηη, with a binder based on a clay or a mixture of clays (step a'1), and a shaping to form particles, then a drying of the particles (step a'2), followed by calcination
(étape a'3). Une zéolithisation éventuelle du liant argileux par action d'une solution basique alcaline peut être effectuée (étape a'4). Alternativement, la mise en forme sous forme de particules est réalisée ultérieurement, après l'étape d'imprégnation (B) ; a2) l'échange cationique des particules du matériau zéolithique macroporeux issu de l'étape a1 ) par mise en contact avec une solution d'ions baryum, suivi d'un lavage du produit ainsi traité. L'échange au baryum des cations de la zéolithe s'effectue par mise en contact du matériau zéolithique macroporeux issu de l'étape a1 ), en particulier le matériau zéolithique macroporeux sous forme de particules issu de l'étape a'3) ou a'4), avec un sel de baryum, tel que BaCI2, en solution aqueuse à une température comprise entre la température ambiante et 100°C, et de préférence comprise entre 80°C et 100°C. Pour obtenir rapidement un taux d'échange en baryum élevé, i.e. supérieur à 90 %, on préfère opérer avec un large excès de baryum par rapport aux cations de la zéolithe que l'on souhaite échanger, typiquement tel que le rapport BaO/AI203 soit de l'ordre de 10 à 12 en procédant par échanges successifs. Le taux d'échange par les ions baryum est déterminé par le ratio entre le nombre de moles d'oxyde de baryum, BaO, et le nombre de moles de l'ensemble des oxydes d'ions alcalins et alcalino-terreux (typiquement le nombre de moles de BaO + K20 + Na20). L'échange au baryum de zéolithes X, LSX, ou A ou low-silica EMT, se fait sans destruction de la structure zéolithique. a3) le traitement thermique optionnel du matériau zéolithique macroporeux échangé issu de l'étape a2), comportant une étape de séchage à une température comprise entre 100°C et 400°C. Le précurseur de la matrice céramique obtenu à l'issu de cette étape a3) peut être totalement ou partiellement amorphe, notamment dans le cas où la zéolithe A est utilisée à l'étape a1 ). (step a'3). A possible zeolitization of the clay binder by the action of an alkaline basic solution can be carried out (step a'4). Alternatively, the shaping in the form of particles is carried out subsequently, after the impregnation step (B); a2) the cationic exchange of the particles of the macroporous zeolite material resulting from step a1) by contacting with a solution of barium ions, followed by washing of the product thus treated. The barium exchange of the cations of the zeolite is carried out by contacting the macroporous zeolite material from step a1), in particular the macroporous zeolite material in particulate form resulting from step a'3) or 4), with a barium salt, such as BaCl 2 , in aqueous solution at a temperature between room temperature and 100 ° C, and preferably between 80 ° C and 100 ° C. To rapidly obtain a high barium exchange rate, ie greater than 90%, it is preferred to operate with a large excess of barium with respect to the cations of the zeolite that is to be exchanged, typically such as the BaO / Al 2 ratio. 0 3 is of the order of 10 to 12 by proceeding by successive exchanges. The degree of exchange by the barium ions is determined by the ratio between the number of moles of barium oxide, BaO, and the number of moles of all the oxides of alkaline and alkaline-earth ions (typically the number of moles of BaO + K 2 O + Na 2 O). The barium exchange of zeolites X, LSX, or A or low-silica EMT, is done without destruction of the zeolite structure. a3) the optional heat treatment of the exchanged macroporous zeolite material from step a2), comprising a drying step at a temperature of between 100 ° C and 400 ° C. The precursor of the ceramic matrix obtained at the end of this step a3) may be totally or partially amorphous, especially in the case where zeolite A is used in step a1).
Les conditions et détails sur les produits et matériaux mis en œuvre dans les sous étapes de l'étape (A) ne sont pas repris ici et correspondent à ceux décrits plus généralement plus haut. Ensuite, on réalise l'étape (B) d'imprégnation du précurseur de la matrice céramique de celsiane : le précurseur de la matrice céramique, de préférence mis en forme selon l'étape (C) déjà décrite, est imprégné par une solution aqueuse ou organique contenant au moins un précurseur soluble du cuivre, du nickel, du cobalt, du fer et/ou du manganèse, tel que décrit en détails plus haut. The conditions and details on the products and materials implemented in the sub-steps of step (A) are not repeated here and correspond to those described more generally above. Then, step (B) is carried out for impregnating the precursor of the ceramic celsiane matrix: the precursor of the ceramic matrix, preferably shaped according to step (C) already described, is impregnated with an aqueous solution or organic containing at least one soluble precursor of copper, nickel, cobalt, iron and / or manganese, as described in detail above.
On réalise ensuite l'étape (D) de séchage du précurseur de la matrice céramique de celsiane imprégné sous forme de particules. Cette étape de séchage est conforme à ce qui a été décrit généralement plus haut. Then the drying step (D) of the precursor of the ceramic matrix of celsiana impregnated in the form of particles is carried out. This drying step is in accordance with what has been described generally above.
Enfin, on réalise l'étape de calcination (E), telle que déjà décrite, des particules issues de l'étape (D), afin de former le porteur d'oxygène comportant une matrice de celsiane BaAI2Si208 au sein de laquelle est dispersée la masse active d'oxydo-réduction CuO, et présentant la texture poreuse spécifique décrite plus haut. Il apparaît que l'imprégnation de la zéolithe mise en forme et échangée par le baryum, par un ou plusieurs précurseurs métalliques de la masse active d'oxydo-réduction, tel que des précurseurs de Cu, Ni, Co, Fe et/ou Mg, ne modifie pas la séquence de transformation de la structure zéolithique mentionnée par Esposito et al. 2004, mais les températures des transitions de phase sont abaissées. En effet, un mélange de celsiane hexagonale et monoclinique avec la ténorite (CuO) est obtenu après calcination pendant 12h à 800°C du précurseur zéolithique BaX imprégné par Cu(N03)2, alors qu'une calcination de 6h à 1 100°C est nécessaire pour obtenir la celsiane hexagonale à partir du précurseur zéolithique BaX non imprégné par le nitrate de cuivre, et 24h à 1550°C pour obtenir la celsiane monoclinique. Finally, the calcination step (E), as already described, is carried out with particles from step (D), in order to form the oxygen carrier comprising a celsiana matrix BaAl 2 Si 2 0 8 within from which is dispersed the active mass of CuO oxidation reduction, and having the specific porous texture described above. It appears that the impregnation of zeolite shaped and exchanged by barium, by one or more metal precursors of the active redox active mass, such as precursors of Cu, Ni, Co, Fe and / or Mg does not modify the transformation sequence of the zeolite structure mentioned by Esposito et al. 2004, but phase transition temperatures are lowered. In fact, a mixture of hexagonal and monoclinic celsiane with tenorite (CuO) is obtained after calcination for 12 hours at 800 ° C. of the Cu (Cu 3 ) 2 impregnated BaX zeolite precursor, while a calcination of 6 hours at 1100 ° C. It is necessary to obtain the hexagonal celsiane from the zeolite precursor BaX not impregnated with copper nitrate, and 24h at 1550 ° C. to obtain the monoclinic celsiane.
Utilisation du solide porteur d'oxygène Use of the oxygen carrier
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. The oxygen-carrying solid is intended to be used in a chemical loop-redox process. The invention thus relates to a chemical loop redox process using the oxygen carrier solid as described, or prepared according to the method of preparation as described.
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, et de préférence comprise entre 600°C et 1 100°C, et encore plus préférentiellement entre 800°C et 1 100°C. Advantageously, the oxygen-bearing solid described is used in a CLC process of a hydrocarbon feedstock, in which the oxygen-carrying solid is in the form of particles and circulates between at least one reduction zone and an oxidation zone all operating both in a fluidized bed. The temperature in the reduction zone and in the oxidation zone is between 400 ° C. and 1400 ° C., and preferably between 600 ° C. and 1100 ° C., and even more preferentially between 800 ° C. and 1100 ° C. ° 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.). The hydrocarbon feedstock treated can be a solid, liquid or gaseous hydrocarbon feedstock: gaseous fuels (eg natural gas, syngas, biogas), liquids (eg fuel oil, bitumen, diesel, gasoline, etc.), or solids (ex. : coal, coke, pet-coke, biomass, oil sands, 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. The operating principle of the CLC process in which the oxygen-bearing solid described is used is as follows: a reduced oxygen-carrying solid is brought into contact with an air flow, or any other oxidizing gas, in a zone reaction called air reactor (or oxidation reactor). This results in a depleted airflow and a particle stream of the reoxidized oxygen carrier. The stream of oxidized oxygen carrier particles is transferred to a reduction zone called a fuel reactor (or reduction reactor). The flow of particles is brought into contact with a fuel, typically a hydrocarbon feedstock. This results in a combustion effluent and a stream of reduced oxygen carrier particles. The CLC installation may include various equipment for heat exchange, pressurization, separation or possible recirculation of material around the air and fuel reactors.
Dans la zone de réduction, la charge hydrocarbonée est mise en contact, par exemple 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 MxOy, M représentant un métal, est réduit à l'état MxOy-2n-m/2, par l'intermédiaire de la charge hydrocarbonée CnHm, qui est corrélativement oxydée en C02 et H20, selon la réaction (1 ) déjà décrite, ou éventuellement en mélange CO + H2 selon les proportions utilisées et la nature du métal M. 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 encore 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 comprise entre 600 et 1 100°C, et encore plus préférentiellement comprise entre 800°C et 1 100°C. In the reduction zone, the hydrocarbon feedstock is brought into contact, for example cocurrently, with the particulate oxygen-carrying solid comprising the oxido-reducing active mass in order to carry out the combustion of said feedstock by reducing the oxido-reducing active mass. The redox active mass M x O y, M representing a metal, is reduced to the state M x O y 2n-m / 2, through the hydrocarbon feedstock C n H m which is correlatively oxidized in C0 2 and H 2 0, according to the reaction (1) already described, or optionally in mixture CO + H 2 according to the proportions used and the nature of the metal M. The combustion of the charge in contact with the active mass is carried out at a temperature generally between 400 ° C. and 1400 ° C., preferably between 600 ° C. and 1100 ° C., and even more preferably between 800 ° C. and 1100 ° C. The contact time varies depending on the type of fuel load used. It typically varies between 1 second and 10 minutes, for example preferably between 1 and 5 minutes for a solid or liquid charge, and for example preferably from 1 to 20 seconds for a gaseous charge. A mixture comprising the gases from the combustion and the particles of the oxygen-carrying solid is removed, typically at the top of the reduction zone. Gas / solid separation means, such as a cyclone, make it possible to separate the combustion gases from the solid particles of the oxygen carrier in their most reduced state. These are sent to the oxidation zone to be re-oxidized, at a temperature generally between 400 ° C. and 1400 ° C., preferably between 600 and 1100 ° C., and even more preferably between 800 ° C. and 1100 ° C.
Dans le réacteur d'oxydation, la masse active est restaurée à son état oxydé MxOy au contact de l'air, selon la réaction (2) déjà décrite (ou selon la réaction (3) si le gaz oxydant est H20), 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. In the oxidation reactor, the active mass is restored to its oxidized state M x O y in contact with the air, according to reaction (2) already described (or according to reaction (3) if the oxidizing gas is H 2 0), before returning to the reduction zone, and after being separated from the depleted oxygen air evacuated at the top of the oxidation zone 100.
La masse active, passant alternativement de sa forme oxydée à sa forme réduite et inversement, décrit un cycle d'oxydo-réduction. The active mass, passing alternately from its oxidized form to its reduced form and vice versa, describes an oxidation-reduction cycle.
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. The disclosed oxygen carrier solid may also be used in another chemical loop redox process such as a CLR process or a CLOU process.
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 The technology used in the chemical loop oxidation reduction process is preferably that of the circulating fluidized bed, but is not limited to this technology, and can be extended to other technologies such as fixed bed, mobile or bubbling bed , or rotating reactor. Examples
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 7 ci- dessous. Les exemples 2, 3, 5 et 6 portent sur des solides porteurs d'oxygène non conformes à l'invention. Les exemples 4 et 7 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 The interest of the solid oxygen carriers according to the invention in the chemical loop processes, in particular CLC, in particular the minimization of the migration of the active mass within the particles during the redox cycles, is exposed through the examples 1 to 7 below. Examples 2, 3, 5 and 6 relate to oxygen-carrying solids not in accordance with the invention. Examples 4 and 7 relate to oxygen-carrying solids in accordance with the invention. Example 1: Aging test for oxygen-carrying solids in a batch fluidized bed
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. The aging of the oxygen carrier solids in a batch fluidized bed was carried out in a unit consisting of a quartz reactor, an automated system for supplying the gas reactor and a system for analyzing the gases leaving the reactor. reactor. This aging test approximates the conditions of use of the oxygen-carrying solid in a chemically-looped oxidation-reduction process, in particular of a chemical-reduction oxidation-reduction loop.
La distribution des gaz (CH4, C02, N2, 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. The distribution of gases (CH 4 , CO 2 , N 2 , air) is ensured by mass flow meters. For safety reasons, a nitrogen sweep is carried out after each period of reduction and oxidation.
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, C02 et CH4, d'un analyseur paramagnétique pour l'oxygène, et d'un détecteur TCD pour l'hydrogène. The height of the quartz reactor is 30 cm, with a diameter of 4 cm in its lower part (on 24 cm high), and 7 cm in its upper part. A quartz sinter is placed at the bottom of the reactor to ensure the distribution of the gases and a good fluidization of the particles. Another sinter is placed in the upper part of the reactor to prevent the loss of fines during the test. The reactor is heated using an electric oven. Part of the gas leaving the reactor is pumped to the gas analyzers, cooled to condense most of the water formed during the reduction and then dried with calcium chloride. The gas concentrations are measured using non-dispersive infrared analyzers for CO, CO 2 and CH 4 , a paramagnetic analyzer for oxygen, and a TCD detector for hydrogen.
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 : Standard test conditions: 100 grams of particles are introduced into the quartz reactor and then heated to 900 ° C under air flow (60 Nl / h). When the temperature of the bed is stabilized at 900 ° C. in air, 250 cycles are carried out according to the following steps:
1 - Balayage à l'azote (60 Nl/h) 2- Injection d'un mélange CH4/C02 (30 NI/h/30 Nl/h) (réduction des particules) 1 - Scanning with nitrogen (60 Nl / h) 2- Injection of a CH 4 / CO 2 mixture (30 N / h / 30 Nl / h) (reduction of the particles)
3- Balayage à l'azote (60 Nl/h) 3- Nitrogen scavenging (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). 4- Air injection (60 Nl / h) (oxidation of particles) The conversion of the oxygen-carrying solid (amount of oxygen supplied by the oxygen-carrying solid to carry out the methane conversion, expressed in% by weight of the oxidized oxygen carrier) is calculated from the gas conversion data, and the reduction time (step 2 of the cycle) is adjusted after the first cycle so that the oxygen carrier solid releases about 2% oxygen by weight (relative to the oxidized mass of oxygen-carrying solid introduced) at each reduction cycle. The oxidation time (step 4 of the cycle) is sufficient to completely reoxidize the particles (15 min).
La distribution en taille des particules a été mesurée à l'aide d'un granulomètre Malvern, en utilisant la théorie de Fraunhofer. Le granulomètre est un granulomètre Malvern Mastersizer 3000, et la mesure est effectuée en voie liquide. Particle size distribution was measured using a Malvern particle size analyzer, using Fraunhofer's theory. The granulometer is a Malvern Mastersizer 3000 particle size analyzer, and the measurement is carried out in a liquid way.
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. The mercury porosimetry measurements were performed on the Autopore IV device marketed by Micromeritics, considering a mercury surface tension of 485 dyn / cm and a contact angle of 140 °. The minimum pore size measurable by mercury porosimetry is 3.65 nm. The nitrogen adsorption isotherms were carried out on the ASAP 2420 device marketed by Micromeritics.
Exemple 2 : solide porteur d'oxygène CuO/Alumine Example 2: CuO / Alumina Oxygen Carrier Solid
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 μηι et Dv90 = 247 μπι. According to this example 2, an oxygen-carrying solid is formed from alumina as a support matrix for an active oxide-reduction mass of copper oxide (s). The alumina used for this example is Puralox SCCa 150-200 marketed by Sasol. The particle size distribution of the aluminum support indicates Dv10 = 104 μηη, Dv50 = 161 μηι and Dv90 = 247 μπι.
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). The pore volume of the particles measured by mercury porosimetry is 0.450 ml / g, and the pore size distribution is between 5 and 15 nm, centered on 9 nm. The macroporous volume of the support measured by mercury porosimetry is 0.007 ml / g (1.5% of the total pore volume).
L'isotherme d'adsorption d'azote de la Puralox permet de mesurer une surface spécifique de 199 m2/g, un volume microporeux (pores < 2 nm) nul et un volume mésoporeux (2 nm < 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. The nitrogen adsorption isotherm of Puralox makes it possible to measure a specific surface area of 199 m 2 / g, a microporous volume (pores <2 nm) of zero and a mesoporous volume (2 nm <pores <50 nm) of 0.496. ml / g. 233 g of Puralox alumina was impregnated according to the dry impregnation method, with 96.5 g of copper nitrate trihydrate dissolved in the necessary volume of demineralized water. After drying at 120 ° C. and calcination at 850 ° C. for 12 hours, a solid containing 12% by weight of CuO is obtained; the crystallographic phases detected by XRD are γ-ΑΙ203 and CuO. The distribution of copper within the particles is homogeneous.
Le volume poreux des particules du solide obtenu, mesuré par porosimétrie 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 m2/g, un volume microporeux (pores <2nm) nul et un volume mésoporeux (2nm < pores < 50 nm) de 0,404 ml/g. The pore volume of the particles of the solid obtained, measured by mercury porosimetry, is 0.367 ml / g, of which 0.015 ml / g (ie 4% of the total pore volume measured by mercury porosimetry) is due to the macroporosity. The pore size distribution is between 5 and 20 nm and centered on 11.25 nm, as can be seen in the diagram of FIG. 1A showing the volume of mercury injected Vi (ml / g) in the porosity, as well as that the ratio dV / dD (derived from (introduced Hg volume / pore size), giving information of the pore size distribution), as a function of the pore diameter (nm), for the oxygen carrier solid according to this example. The particles are therefore essentially mesoporous. The nitrogen adsorption isotherm of the oxygen-carrying solid according to this example makes it possible to measure a surface area of 135 m 2 / g, a microporous volume (pore size <2 nm) and a mesoporous volume (2 nm <pores <50 nm) of 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. The oxygen-carrying solid according to this example was aged under the conditions described in Example 1. FIG. 1B is a diagram showing the normalized conversion rate Xc of methane as a function of the number N of oxidation-reduction rings in a CLC process using the oxygen carrier solid according to Example 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%. The conversion of methane is of the order of 98% at the beginning of the test, it increases until reaching 100%, then a progressive deactivation is observed after the hundredth cycle. The conversion then stabilizes around 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. It should be noted that the nature of the active mass used (CuO) causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step. The particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
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 (μηι) 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. After testing, the sample underwent a very significant attrition, with almost all the particles having a size of less than 100 μηη, as can be seen in the diagram of the FIG. 1C, representing the particle size distribution (μηι) of the oxygen carrier solid according to this example before (curve 10) and after (curve 1 1) its use in a CLC process, that is to say before and after the aging test according to Example 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. SEM slices on a polished section of the particles after the aging test according to Example 1, such as the plate of FIG. 1D, show that the constitutive aluminic matrix of the particles did not resist the 250 successive redox cycles. Most of the particles are actually in the form of small fragments (a few tens of μηη). In addition, additional SEM-EDX analyzes show that the finest particles observed (some μηη in size) consist almost exclusively of copper and oxygen. This example shows that when the active mass is deposited on a purely mesoporous alumina, the accumulation of redox cycles leads to the cracking of said aluminum matrix, and to the migration of copper within the aluminum matrix to form aggregates composed essentially of copper. The mechanical strength of the cracked ceramic matrix is then insufficient and the life of the particles is drastically reduced.
Exemple 3 : solide porteur d'oxygène CuO/Alumine silicée à 5% de SiO? Example 3: Carbohydrate carrying solid CuO / Silica Alumina at 5% SiO 2
Selon cet exemple 3, on forme un solide porteur d'oxygène à partir d'alumine silicée à 5% de Si02 en tant que matrice support d'une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre (CuO et CuAI204). L'alumine silicée utilisée est la Siralox 5 commercialisée par Sasol et qui contient 5% en poids de silice (Si02). La distribution en taille des particules indique Dv10 = 60 μηη, Dv50= 89 μηη et Dv90 = 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. According to this example 3, an oxygen-carrying solid is formed from silicified alumina at 5% of SiO 2 as a support matrix for an active oxide-reduction mass of copper oxide (s) (CuO and CuAl 2 O 4 ). The siliceous alumina used is Siralox 5 sold by Sasol and which contains 5% by weight of silica (SiO 2 ). The particle size distribution indicates Dv 10 = 60 μηη, Dv 50 = 89 μηη and Dv 90 = 131 μηη. The pore volume measured by mercury porosimetry of the alumino-silicic support is 0.549 ml / g, and the pore size distribution is between 5 and 30 nm, centered on 13 nm. The macroporous volume is 0.033 ml / g, ie 6% of the total pore volume measured by mercury porosimetry.
L'isotherme d'adsorption d'azote de la Siralox 5 permet de mesurer une surface spécifique de 173 m2/g, un volume microporeux (pores <2nm) nul et un volume mésoporeux (2nm < pores < 50 nm) de 0,601 ml/g. The nitrogen adsorption isotherm of Siralox 5 makes it possible to measure a specific surface area of 173 m 2 / g, a microporous volume (pore size <2 nm) and a mesoporous volume (2 nm <pores <50 nm) of 0.601 ml. /boy Wut.
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-ΑΙ203, θ-ΑΙ203, CuAI204 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. 240 g of siliceous alumina were impregnated according to the dry impregnation method, with 109 g of copper nitrate trihydrate in aqueous solution. After drying at 120 ° C and calcination at 1000 ° C. for 12 hours, a solid containing 13% by weight of CuO equivalent is obtained. The crystallographic phases detected by XRD are δ-ΑΙ 2 0 3 , θ-ΑΙ 2 0 3 , CuAl 2 O 4 and CuO. The SEM backscattered electron (a) on polished section and the EDX (b) mapping of FIG. 2C show that the copper is relatively well dispersed inside the particles, but in a less homogeneous manner than in example 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. The pore volume of the particles measured by mercury porosimetry is 0.340 ml / g, of which 0.029 ml / g (8.5%) is due to macroporosity. The pore size distribution is between 7 and 50 nm and centered on 15 nm, as can be seen in the diagram of FIG. 2A representing the volume of mercury injected Vi (ml / g) in the porosity, as well as the ratio dV / dD, as a function of the pore diameter (nm), for the oxygen carrier solid according to this example. The particles after impregnation / calcination are essentially mesoporous.
La surface spécifique mesurée par adsorption d'azote est de 77 m2/g. The specific surface area measured by nitrogen adsorption is 77 m 2 / g.
Le solide porteur d'oxygène selon l'exemple 3 a été vieilli dans les conditions décrites dans l'exemple 1. The oxygen carrier solid according to Example 3 was aged under the conditions described in Example 1.
La conversion du méthane est stable, de l'ordre de 60% sur la totalité du test (Figure 2B). The conversion of methane is stable, of the order of 60% over the entire test (Figure 2B).
Il est à noter que la nature de la masse active utilisée (oxydes de cuivre) 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. It should be noted that the nature of the active mass used (copper oxides) causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step. The particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process. The partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , gas velocities and / or inventory in the reduction reactor.
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. The size distribution of the particles after the aging test is similar to that of the material before testing, which indicates a better mechanical strength of the alumina-silica matrix compared to the particles on pure alumina.
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. It is observed, however, that almost all of the initially dispersed copper within the particles has migrated towards the periphery of said particles to form porous zones essentially containing copper and a little aluminum, as can be seen in FIG. SEM image of Figure 2D. The mechanical strength of these zones, although porous, is sufficient so that the layers and aggregates formed are still in most cases integral with the initial alumina-silica support under the conditions described in Example 1. However, it is not It is possible to use this type of particle in a circulating fluidized bed on an industrial scale, where higher gas velocities and inevitable attrition by abrasion would result in the rapid elimination of all the copper accumulated at the periphery.
D'après les mesures de cartographie EDX 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. According to the EDX mapping measurements made, the zone of particles whose morphology is relatively unchanged with respect to the initial silica-alumina consists mainly of alumina and contains only traces of copper, as well as almost all of silicon. The presence of silicon in the ceramic matrix thus makes it possible to stabilize said ceramic matrix. However, all the copper initially well dispersed in the mesoporous matrix migrated to the periphery of the particles during successive redox cycles.
Exemple 4 : solide porteur d'oxygène CuO/Celsiane Selon cet exemple 4, on forme un solide porteur d'oxygène comportant une matrice céramique de celsiane au sein de laquelle est dispersée une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre. EXAMPLE 4 CuO / Celsiane Oxygen-Bearing Solid According to this example 4, an oxygen-carrying solid is formed comprising a ceramic matrix of Celsiane in which is dispersed an oxidation-reduction active mass of oxide (s). of copper.
Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple est obtenu à partir d'un précurseur zéolithique macroporeux BaX (BaX signifie zéolithe X échangée au baryum), à partir des étapes suivantes : une agglomération de cristaux de zéolithe NaX, de rapport atomique Si/AI = 1 ,25 et de diamètre moyen en nombre égal à 1 ,5 μηη, avec de la kaolinite et de la silice, et mise en forme par granulation, suivie d'un séchage puis d'une calcination à 550°C sous courant d'azote pendant 2 h, et tamisage des agglomérés obtenus de manière à récupérer des particules de granulométrie comprise entre 200 et 500 μηη, avec un diamètre médian en volume autour de 350 μηη. une zéolithisation du liant par contact des particules obtenues placées dans un réacteur en verre avec une solution aqueuse de soude de concentration 100 g/l à une température de 100°C sous agitation pendant 3 h. On procède ensuite au lavage des particules en 3 opérations successives de lavage à l'eau suivi de la vidange du réacteur. On s'assure de l'efficacité du lavage en mesurant le pH final des eaux de lavage qui est compris entre 10 et 10,5. un échange par le baryum au moyen d'une solution de chlorure de baryum 0,5 M à 95°C en quatre étapes. A chaque étape, le rapport volume de solution sur masse de solide est de 20 ml/g et l'échange est poursuivi pendant 4 heures à chaque fois.The oxygen-carrying solid according to this example is obtained from a macroporous zeolite precursor BaX (BaX means zeolite X exchanged with barium), starting from the following steps: an agglomeration of NaX zeolite crystals, of atomic ratio Si / Al = 1.25 and with a mean diameter in number equal to 1.5 μηη, with kaolinite and silica, and shaped by granulation, followed by drying and then calcination at 550 ° C. nitrogen for 2 h, and sieving the agglomerates obtained so as to recover particles having a particle size of between 200 and 500 μηη, with a median volume diameter around 350 μηη. a zeolitization of the binder by contact of the obtained particles placed in a glass reactor with an aqueous solution of sodium hydroxide concentration 100 g / l at a temperature of 100 ° C with stirring for 3 h. The particles are then washed in 3 successive water-washing operations followed by reactor emptying. The effectiveness of the washing is ensured by measuring the final pH of the washing water which is between 10 and 10.5. barium exchange using a solution of 0.5 M barium chloride at 95 ° C in four steps. At each step, the volume ratio of solution to solid mass is 20 ml / g and the exchange is continued for 4 hours each time.
Entre chaque échange, le solide est lavé plusieurs fois de manière à le débarrasser des excédents de sel. Between each exchange, the solid is washed several times in order to rid it of excess salt.
Le taux d'échange en baryum de ce précurseur zéolithique est de 95%. The barium exchange rate of this zeolite precursor is 95%.
Le volume poreux du précurseur de la matrice céramique mis en forme, qui est un matériau zéolithique BaX macroporeux sous forme de particules, mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0,206 ml/g. Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0,191 ml/g, et le volume mésoporeux (3,65 nm < pores < 50 nm)est de 0,015 ml/g. La distribution en taille des macropores est comprise entre 100 nm et 1000 nm, centrée sur 330 nm. Cette distribution est visible sur la figure 3C, où Vi Z se réfère à la porosité du précurseur de la matrice céramique (matériau zéolithique BaX macroporeux mis en forme). The pore volume of the precursor of the shaped ceramic matrix, which is a particulate macroporous BaX zeolite material measured by mercury porosimetry, is 0.206 ml / g. The macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.191 ml / g, and the mesoporous volume (3.65 nm <pore <50 nm) is 0.015 ml / g. The size distribution of the macropores is between 100 nm and 1000 nm, centered on 330 nm. This distribution is visible in FIG. 3C, where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix (macroporous BaX zeolite material formed).
L'isotherme d'adsorption d'azote de ce précurseur de la matrice céramique permet de mesurer une surface spécifique de 676 m2/g, un volume microporeux (pores <2 nm) de 0,24 ml/g et un volume mésoporeux (2 nm < pores < 50 nm) de 0,04 ml/g. The nitrogen adsorption isotherm of this precursor of the ceramic matrix makes it possible to measure a specific surface area of 676 m 2 / g, a microporous volume (pore size <2 nm) of 0.24 ml / g and a mesoporous volume ( 2 nm <pores <50 nm) of 0.04 ml / g.
120g de ce précurseur de la matrice céramique ont été imprégnés à sec par 57 g de nitrate de cuivre trihydraté en solution aqueuse. Après séchage à 120°C et calcination à 800°C pendant 12h, un solide porteur d'oxygène selon l'invention contenant 13,5 % massique de CuO est obtenu. La distribution en taille des particules, mesurée par granulométrie laser en phase liquide, indique Dv10 = 199 μηη, Dv50= 341 μηη et Dv90 = 534 μηη. 120 g of this precursor of the ceramic matrix were dry impregnated with 57 g of copper nitrate trihydrate in aqueous solution. After drying at 120 ° C. and calcination at 800 ° C. for 12 hours, an oxygen-carrying solid according to the invention containing 13.5% by weight of CuO is obtained. The particle size distribution, measured by liquid phase laser particle size, indicates Dv10 = 199 μηη, Dv50 = 341 μηη and Dv90 = 534 μηη.
Après la calcination à 800°C, la structure zéolithique initiale est totalement détruite. La ténorite (CuO) et deux polymorphes de la celsiane (hexagonale et monoclinique) sont détectés par DRX, tel que cela est montré sur le diffractogramme des rayons X de la figure 3A. Sur cette figure, A en abscisse correspond à l'angle 2Θ (en degrés) et Cps en ordonnée représente le nombre de coups lors de la mesure. L'intensité des pics de diffraction de la forme hexagonale de la celsiane (H) est plus élevée que celle mesurée pour la forme monoclinique (M). Le volume poreux du solide porteur d'oxygène selon l'invention, mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0, 153 ml/g. Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0, 145 ml/g (94,8%), et le volume mésoporeux est de 0,008 ml/g. La distribution en taille des macropores est comprise entre 100 nm et 4000 nm, centrée sur 400 nm. La densité de grain est de 2086 kg/m3. Cette distribution est visible sur la figure 3C, où Vi S se réfère à la porosité du solide porteur d'oxygène initial (avant test de vieillissement). After calcination at 800 ° C, the initial zeolite structure is completely destroyed. Tenorite (CuO) and two celsian polymorphs (hexagonal and monoclinic) are detected by XRD, as shown on the X-ray diffractogram of Figure 3A. In this figure, A on the abscissa corresponds to the angle 2Θ (in degrees) and Cps on the ordinate represents the number of strokes during the measurement. The intensity of the diffraction peaks of the hexagonal form of celsiane (H) is higher than that measured for the monoclinic form (M). The porous volume of the oxygen-carrying solid according to the invention, measured by mercury porosimetry, is 0.153 ml / g. The macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.145 ml / g (94.8%), and the mesoporous volume is 0.008 ml / g. The size distribution of the macropores is between 100 nm and 4000 nm, centered on 400 nm. The grain density is 2086 kg / m 3 . This distribution is visible in FIG. 3C, where Vi S refers to the porosity of the initial oxygen-carrying solid (before aging test).
La surface spécifique du porteur d'oxygène selon l'invention, mesurée par adsorption d'azote selon la méthode BET est de 5 m2/g. The specific surface area of the oxygen carrier according to the invention, measured by nitrogen adsorption according to the BET method, is 5 m 2 / g.
L'analyse par MEB (figure 3B, cliché MEB en électrons rétrodiffusés (a) et cartographie EDX en (b)) sur section polie montre que la distribution du cuivre à l'intérieur des particules est relativement homogène, sous forme de nodules de taille comprise entre 0,1 μηη et 5 μηη dispersés dans la macroporosité. SEM analysis (Figure 3B, SEM backscattered electron (a) and EDX mapping in (b)) on polished section shows that the distribution of copper inside the particles is relatively homogeneous, in the form of nodules size between 0.1 μηη and 5 μηη dispersed in the macroporosity.
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 H20 et C02 est stable, de l'ordre de 61 % sur la totalité du test. The aging of the particles in a batch fluidized bed was carried out according to the same protocol as in Example 1. The conversion of methane to H 2 0 and C0 2 is stable, of the order of 61% over the entire 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. It should be noted that the nature of the active mass used (CuO) causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step. The particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
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. The partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , gas velocities and / or inventory in the reduction reactor.
Comme dans l'exemple 3, la distribution en taille des particules après le test de vieillissement est semblable à celle du matériau avant test. Contrairement aux observations de l'exemple 3, la distribution du cuivre après 250 cycles en lit fluidisé batch au sein des particules du porteur d'oxygène selon l'invention reste globalement homogène, avec une tendance nettement minimisée du cuivre à migrer vers la périphérie des particules, tel que visibles sur le cliché MEB (a) et la cartographie EDX (b) de la figure 3D. On observe toujours la présence de nodules cuivreux de taille comprise entre 0, 1 μηι et 5 μηι dans la porosité. Cette texture est bien visible dans le cliché MEB en électrons rétrodiffusés de la figure 3E portant sur un détail d'une particule du solide porteur d'oxygène après vieillissement. As in Example 3, the particle size distribution after the aging test is similar to that of the pre-test material. Contrary to the observations of Example 3, the copper distribution after 250 cycles in a batch fluidized bed within the particles of the oxygen carrier according to the invention remains generally homogeneous, with a markedly minimized tendency for copper to migrate towards the periphery of the particles, as visible on the SEM image (a) and the EDX map (b) of the 3D figure. The presence of cuprous nodules of size between 0, 1 μηι and 5 μηι in the porosity. This texture is clearly visible in the SEM backscattered electron micrograph of FIG. 3E relating to a detail of a particle of the oxygen-carrying solid after aging.
Les principales phases cristallines détectées par DRX après vieillissement sont la ténorite (CuO) et la celsiane monoclinique. Quelques pics de très faible intensité caractéristiques de la celsiane hexagonale et de l'aluminate de cuivre (CuAI204) sont également présents. The main crystalline phases detected by DRX after aging are tenorite (CuO) and monoclinic celsiane. Some very low intensity peaks characteristic of hexagonal celsiane and copper aluminate (CuAl 2 0 4 ) are also present.
Le volume poreux des particules mesuré par porosimétrie au mercure a diminué de 20% (0, 1 15 ml/g) au cours du vieillissement, et la taille des pores a augmenté (distribution en taille des pores centrée sur 600 nm). Un léger frittage de la matrice celsiane a donc eu lieu. Cependant au vu de ces résultats, et comparativement aux autres exemples, le solide porteur d'oxygène selon cet exemple 4 présente une bonne résistance au frittage. The pore volume of the particles measured by mercury porosimetry decreased by 20% (0.15 ml / g) during aging, and the pore size increased (pore size distribution centered on 600 nm). A slight sintering of the Celsian matrix therefore took place. However, in view of these results, and compared to the other examples, the oxygen carrier solid according to this example 4 has a good sintering resistance.
Le solide porteur d'oxygène après 250 cycles d'oxydo-réduction conserve néanmoins une distribution en taille de pores et un volume poreux suffisants pour limiter la migration du cuivre au sein des particules. 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 en lit fluidisé circulant. The oxygen-carrying solid after 250 oxidation-reduction cycles nevertheless retains a pore size distribution and a pore volume sufficient to limit the migration of copper within the particles. The morphological evolution of the oxygen-carrying solid according to the invention (porosity and distribution of copper) thus makes it possible to envisage the prolonged use of these particles in an industrial process in a circulating fluidized bed.
Exemple 5 : solide porteur d'oxygène CuO/Néphéline Example 5: CuO / Nepheline-carrying solid oxygen
Selon cet exemple 5, on forme un solide porteur d'oxygène comportant une matrice céramique de néphéline (feldspathoïde) au sein de laquelle est dispersée une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre. According to this example 5, an oxygen carrier solid is formed comprising a ceramic matrix of nepheline (feldspathoid) within which is dispersed an active oxide redox oxide (s) active mass.
Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple est obtenu à partir d'un précurseur zéolithique macroporeux NaX, à partir des étapes suivantes : une agglomération de cristaux de zéolithe NaX, de rapport atomique Si/AI = 1 ,25 et de diamètre moyen en nombre égal à 1 ,5 μηη, avec de la kaolinite et de la silice, et mise en forme par granulation, suivie d'un séchage puis d'une calcination à 550°C sous courant d'azote pendant 2 h, et tamisage des agglomérés obtenus de manière à récupérer des particules de granulométrie comprise entre 200 μηη et 500 μηη, avec un diamètre médian en volume autour de 350 μηη. Les étapes de zéolithisation du liant et d'échange par le baryum n'ont pas été réalisés. The oxygen-carrying solid according to this example is obtained from a macroporous zeolite precursor NaX, starting from the following steps: an agglomeration of NaX zeolite crystals, with an Si / Al = 1, 25 atomic ratio, and a mean diameter of a number equal to 1.5 μηη, with kaolinite and silica, and shaped by granulation, followed by drying and then calcination at 550 ° C. under a stream of nitrogen for 2 h, and sieving of agglomerates obtained so as to recover particles of particle size between 200 μηη and 500 μηη, with a median volume diameter around 350 μηη. The zeolitization steps of the binder and exchange with barium have not been realized.
Le volume poreux du précurseur de la matrice céramique (matériau zéolithique NaX macroporeux) mis en forme, mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0,336 ml/g. Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0,296 ml/g, et le volume mésoporeux est de 0,040 ml/g. La distribution en taille des macropores est comprise entre 100 nm et 1000 nm, centrée sur 330 nm. Cette distribution est visible sur la figure 4A où Vi Z se réfère à la porosité du précurseur de la matrice céramique. The pore volume of the precursor of the ceramic matrix (zeolite material macroporous NaX) shaped, measured by mercury porosimetry, is 0.336 ml / g. The macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.296 ml / g, and the mesoporous volume is 0.040 ml / g. The size distribution of the macropores is between 100 nm and 1000 nm, centered on 330 nm. This distribution is visible in FIG. 4A where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix.
L'isotherme d'adsorption d'azote du précurseur de la matrice céramique permet de mesurer une surface spécifique de 749 m2/g, un volume microporeux (pores < 2 nm) de 0,260 ml/g et un volume mésoporeux (2 nm < pores < 50 nm) de 0, 1 12 ml/g. The nitrogen adsorption isotherm of the precursor of the ceramic matrix makes it possible to measure a specific surface area of 749 m 2 / g, a microporous volume (pores <2 nm) of 0.260 ml / g and a mesoporous volume (2 nm <pores <50 nm) of 0.12 ml / g.
105 g du précurseur de la matrice céramique ont été imprégnés à sec par 43,9 g de nitrate de cuivre trihydraté en solution aqueuse. Après séchage à 120°C et calcination à 800°C pendant 12h, un solide contenant 12 % massique d'équivalent CuO sur silice-alumine est obtenu. La distribution en taille des particules, mesurée par granulométrie laser en phase liquide, indique Dv10 = 156 μηι, Dv50= 286 μηι et Dv90 = 458 μηι. 105 g of the precursor of the ceramic matrix were impregnated dry with 43.9 g of copper nitrate trihydrate in aqueous solution. After drying at 120 ° C. and calcining at 800 ° C. for 12 hours, a solid containing 12% by mass of CuO equivalent on silica-alumina is obtained. The particle size distribution, measured by liquid phase laser granulometry, indicates Dv10 = 156 μηι, Dv50 = 286 μηι and Dv90 = 458 μηι.
Après calcination à 800°C, la ténorite (CuO) et la néphéline de formule Na3.6AI3.6Si4.4Oi6 sont les deux seules phases détectées par DRX. Les clichés MEB sur section polie, tel que le cliché de la figure 4B, montrent une fissuration importante de la matrice néphéline en comparaison aux particules de l'exemple 4, et une accumulation de cuivre à la périphérie des particules. On observe également la formation de nodules micrométriques de cuivre dans la macroporosité de la matrice. After calcination at 800 ° C., tenorite (CuO) and nepheline of formula Na 3 . 6 AI 3 . 6 Si4.4Oi 6 are the only two phases detected by DRX. SEM images on polished section, such as the snapshot of FIG. 4B, show a significant cracking of the nepheline matrix in comparison with the particles of example 4, and a copper accumulation at the periphery of the particles. The formation of micrometric copper nodules in the macroporosity of the matrix is also observed.
Le volume poreux des particules de l'exemple 5, mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0,103 ml/g, avec une distribution de la taille des pores large (130 nm à 4,7μηι) centrée sur 750 nm. Le volume poreux est constitué à 100% de macropores. Cette distribution est visible sur la figure 4A, où Vi se réfère à la porosité du solide porteur d'oxygène initial (avant test de vieillissement). The pore volume of the particles of Example 5, measured by mercury porosimetry, is 0.103 ml / g, with a wide pore size distribution (130 nm to 4.7 μm) centered on 750 nm. The pore volume consists of 100% macropores. This distribution is visible in FIG. 4A, where Vi refers to the porosity of the initial oxygen-carrying solid (before aging test).
Le vieillissement des particules en lit fluidisé batch a été réalisé selon le même protocole que dans l'exemple 1. The aging of the particles in a batch fluidized bed was carried out according to the same protocol as in Example 1.
La conversion du méthane en eau et en dioxyde de carbone est stable, mais seulement de l'ordre de 30% sur la totalité du test. 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, mais le solide selon l'exemple 5 est moins performant que celui de l'exemple 4 et nécessiterait un inventaire plus élevé. The conversion of methane to water and carbon dioxide is stable, but only around 30% over the entire test. The partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , the gas velocities and / or the inventory in the reduction reactor, but the solid according to Example 5 is less efficient than that of Example 4 and would require a higher inventory.
Malgré la fluidisation, le solide a légèrement pris en masse au cours du test (un agglomérat friable est observé lors du déchargement du réacteur). Après broyage (facile) de l'agglomérat dans le réacteur, la mesure de la distribution en taille des particules montre qu'une forte proportion de fines particules (9% en poids de particules de taille <100μηΊ) a été créée, probablement en raison de la forte fissuration observée dès l'étape de calcination à 800°C. L'absence de zéolithisation du liant après la mise en forme est probablement à l'origine de la plus faible résistance mécanique des particules. In spite of the fluidization, the solid slightly increased in mass during the test (a friable agglomerate is observed during the unloading of the reactor). After grinding (easy) of the agglomerate in the reactor, the measurement of the particle size distribution shows that a high proportion of fine particles (9% by weight of particles of size <100μηΊ) has been created, probably because severe cracking observed at the calcination step at 800 ° C. The absence of zeolitization of the binder after shaping is probably the cause of the lower mechanical strength of the particles.
Le ténorite et la néphéline sont toujours présentes majoritairement, et on observe également les principales raies de diffraction des rayons X caractéristiques du quartz, de la cristobalite et de l'aluminate de cuivre CuAI04. La très faible intensité relative de ces raies indique que ces trois phases sont minoritaires. Tenorite and nepheline are still predominantly present, and the main X-ray diffraction lines characteristic of quartz, cristobalite and copper aluminate CuAlO 4 are also observed. The very low relative intensity of these lines indicates that these three phases are in the minority.
Les clichés MEB sur section polie des particules après vieillissement montrent deux morphologies distinctes des particules (Figure 4C, clichés MEB en électrons rétrodiffusés (a) et (b)): une densification importante de la matrice néphéline est observée sur certaines particules, qui a entraîné une migration importante du cuivre vers la périphérie des particules (cliché MEB (b) de la figure 4C). La croûte observée autour de ces particules est probablement à l'origine de la prise en masse observée après 250 cycles. Une partie du cuivre présent dans ces particules a coalescé à l'intérieur des très larges pores formés au cours du test, à l'interface gaz/solide. SEM images on polished section of the particles after aging show two distinct morphologies of the particles (Figure 4C, SEM images in backscattered electrons (a) and (b)): a significant densification of the nepheline matrix is observed on certain particles, which resulted in a large migration of copper towards the periphery of the particles (SEM image (b) of FIG. 4C). The crust observed around these particles is probably at the origin of the caking observed after 250 cycles. Part of the copper present in these particles coalesced inside the very large pores formed during the test at the gas / solid interface.
La seconde morphologie consiste en des particules toujours macroporeuses au sein desquelles le cuivre forme des nodules micrométriques (cliché MEB (a) de la figure 4C). The second morphology consists of macroporous particles in which copper forms micrometric nodules (SEM image (a) of Figure 4C).
La température de fusion relativement basse de la néphéline (1230°C) par rapport à la celsiane (1760°) peut être à l'origine de la densification plus importante observée. Il est probable qu'une partie du cuivre piégé dans les particules dont la matrice est dense n'est pas accessible au gaz, d'où la conversion du méthane plus faible que dans l'exemple 4. Outre la réactivité diminuée par rapport à l'exemple 4, la formation d'une croûte d'oxyde métallique en périphérie d'une forte proportion des particules rend l'utilisation de ce type de particules inenvisageable dans un lit fluidisé circulant à l'échelle industrielle (risque d'agglomération et de pertes du cuivre par attrition trop importants). The relatively low melting temperature of nepheline (1230 ° C) relative to celsian (1760 °) may be responsible for the higher densification observed. It is likely that some of the copper trapped in particles with a dense matrix is not accessible to gas, hence the conversion of methane lower than in Example 4. In addition to decreased reactivity compared to Example 4, the formation of a metal oxide crust at the periphery of a high proportion particles makes the use of this type of particles unthinkable in a fluidized bed circulating on an industrial scale (risk of agglomeration and loss of copper by attrition too large).
Le volume poreux des particules mesuré par porosimétrie au mercure (0,088 ml/g) est du même ordre de grandeur que précédemment, de même que la distribution en taille des pores (1 10 nm - 4,7μηι). The pore volume of the particles measured by mercury porosimetry (0.088 ml / g) is of the same order of magnitude as before, as is the pore size distribution (1 10 nm - 4.7 μm).
Exemple 6 : solide porteur d'oxygène CuO/Albite Selon cet exemple 6, on forme un solide porteur d'oxygène comportant une matrice céramique d'albite (feldspathoïde) au sein de laquelle est dispersée une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre. EXAMPLE 6 CuO / Albite Oxygen-Bearing Solid According to this example 6, an oxygen-carrying solid is formed comprising a ceramic matrix of albite (feldspathoid) within which an oxidation-reduction active mass is dispersed. copper oxide (s).
Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple est obtenu à partir d'un précurseur zéolithique macroporeux NaY à partir des étapes suivantes : - une agglomération de cristaux de zéolithe NaY, de type structural FAU identique aux zéolithes X et LSX, mais de rapport atomique Si/AI = 3, c'est-à-dire plus élevé que la zéolithe X ou la zéolithe LSX, et de diamètre moyen en nombre égal à 0,7 μηη, avec de la kaolinite et de la silice, et mise en forme par granulation, suivie d'un séchage puis d'une calcination à 550°C sous courant d'azote pendant 2 h, et tamisage des agglomérés obtenus de manière à récupérer des particules de granulométrie comprise entre 200 μηη et 500 μηη, avec un diamètre médian en volume autour de 350 μπι. une zéolithisation du liant par contact des particules obtenues placées dans un réacteur en verre avec une solution aqueuse de soude de concentration 100 g/l à une température de 100°C sous agitation pendant 3 h. On procède ensuite au lavage des particules en trois opérations successives de lavage à l'eau suivi de la vidange du réacteur. On s'assure de l'efficacité du lavage en mesurant le pH final des eaux de lavage qui est compris entre 10 et 10,5. The oxygen-carrying solid according to this example is obtained from a macroporous zeolite precursor NaY from the following stages: an agglomeration of zeolite crystals NaY, of structural type FAU identical to zeolites X and LSX, but of atomic ratio If / Al = 3, that is to say higher than the zeolite X or the zeolite LSX, and of average diameter in number equal to 0.7 μηη, with kaolinite and silica, and shaping by granulation, followed by drying and then calcination at 550 ° C. under a stream of nitrogen for 2 h, and sieving of the agglomerates obtained so as to recover particles having a particle size of between 200 μηη and 500 μηη, with a diameter median in volume around 350 μπι. a zeolitization of the binder by contact of the obtained particles placed in a glass reactor with an aqueous solution of sodium hydroxide concentration 100 g / l at a temperature of 100 ° C with stirring for 3 h. The particles are then washed in three successive operations of washing with water followed by the emptying of the reactor. The effectiveness of the washing is ensured by measuring the final pH of the washing water which is between 10 and 10.5.
Le volume poreux du précurseur de la matrice céramique mis en forme (matériau zéolithique NaY macroporeux), mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0,376 ml/g. Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0,319 ml/g, et le volume mésoporeux (3,65 nm < pores < 50 nm) est de 0,057 ml/g. La distribution en taille des macropores est comprise entre 100 nm et 1000 nm, centrée sur 330 nm. Cette distribution est visible sur la figure 5A où Vi Z se réfère à la porosité du précurseur de la matrice céramique. L'isotherme d'adsorption d'azote précurseur de la matrice céramique permet de mesurer une surface spécifique de 676 m2/g, un volume microporeux (pores < 2 nm) de 0,24 ml/g et un volume mésoporeux (2 nm < pores < 50 nm) de 0,04 ml/g. The pore volume of the precursor of the shaped ceramic matrix (macroporous NaY zeolite material), measured by mercury porosimetry, is 0.376 ml / g. Volume macroporous (pore size> 50 nm) is 0.319 ml / g, and the mesoporous volume (3.65 nm <pores <50 nm) is 0.057 ml / g. The size distribution of the macropores is between 100 nm and 1000 nm, centered on 330 nm. This distribution is visible in Figure 5A where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix. The precursor nitrogen adsorption isotherm of the ceramic matrix makes it possible to measure a specific surface area of 676 m 2 / g, a microporous volume (pore size <2 nm) of 0.24 ml / g and a mesoporous volume (2 nm). <pores <50 nm) of 0.04 ml / g.
108 g de ce précurseur de la matrice céramique ont été imprégnés à sec par 44 g de nitrate de cuivre trihydraté en solution aqueuse. Après séchage à 120°C et calcination à 800°C pendant 12h, un solide contenant 1 1 ,8 % massique d'équivalent CuO est obtenu. 108 g of this precursor of the ceramic matrix were dry impregnated with 44 g of copper nitrate trihydrate in aqueous solution. After drying at 120 ° C. and calcining at 800 ° C. for 12 hours, a solid containing 1.18% by weight of CuO equivalent is obtained.
Après calcination à 800°C, la ténorite (CuO), une phase amorphe et du quartz sont détectés par DRX. Quelques raies de diffraction de très faible intensité, indiquant un début de cristallisation d'une nouvelle phase, ne peuvent être attribuées de manière définitive. After calcination at 800 ° C., tenorite (CuO), an amorphous phase and quartz are detected by XRD. Some diffraction lines of very low intensity, indicating a beginning of crystallization of a new phase, can not be definitively attributed.
La distribution en taille des particules indique Dv10 = 104 μηη, Dv50= 212 μηη et Dv90 = 356 m. The particle size distribution indicates Dv10 = 104 μηη, Dv50 = 212 μηη and Dv90 = 356 m.
La porosité des particules du solide porteur d'oxygène n'est que de 9 % et la distribution en taille des pores est très large (de 30 nm à 5000 nm, voire figure 5A courbe Vi S), reflétant la présence des très larges cavités créées au cours de la calcination et observées par MEB, ainsi qu'une densification de la matrice amorphe de silice-alumine (cliché MEB de la figure 5B). Le volume poreux total est de 0,043 ml/g, Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0,038 ml/g (88,4 %), et le volume mésoporeux est de 0,005 ml/g. La cartographie MEB-EDX sur section polie montre que la majeure partie du cuivre a coalescé sous forme de nodules micrométriques insérés dans la matrice. Une forte fissuration a eu lieu à l'intérieur des particules. Le vieillissement des particules en lit fluidisé batch a été réalisé selon le même protocole que dans l'exemple 1. The porosity of the particles of the oxygen-bearing solid is only 9% and the pore size distribution is very wide (from 30 nm to 5000 nm, or even Figure 5A curve Vi S), reflecting the presence of very large cavities created during the calcination and observed by SEM, as well as a densification of the amorphous matrix of silica-alumina (SEM image of Figure 5B). The total pore volume is 0.043 ml / g. The macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.038 ml / g (88.4%), and the mesoporous volume is 0.005 ml / g. SEM-EDX mapping on a polished section shows that most of the copper coalesced as micrometric nodules inserted into the matrix. Strong cracking occurred inside the particles. The aging of the particles in a batch fluidized bed was carried out according to the same protocol as in Example 1.
On observe une activation des particules, la conversion du méthane augmentant progressivement de 6% au second cycle à 14% au 250eme cycle. Le solide a légèrement pris en masse au cours du test. Après broyage (facile) de l'agglomérat dans le réacteur, la distribution en taille des particules après le test de vieillissement est semblable à celle du matériau avant test. There is a particle activation, the conversion of methane increasing gradually from 6% in the second cycle to 14% at 250 th cycle. The solid was slightly encrusted during the test. After grinding (easy) of the agglomerate in the reactor, the Size distribution of the particles after the aging test is similar to that of the material before testing.
La porosité des particules n'est plus que de 4%, constituée essentiellement des larges cavités toujours présentes au sein des particules (taille centrée autour de 3700 nm). La faible conversion du méthane peut être directement reliée à l'absence de porosité de la matrice, qui encapsule une forte proportion du cuivre et le rend inaccessible aux différents gaz. L'augmentation progressive de la conversion est probablement imputable à la migration du cuivre vers la périphérie des particules au fil des cycles redox. En effet, l'analyse MEB après vieillissement montre qu'une croûte de cuivre s'est accumulée à la surface des particules pendant le test (cliché MEB de la figure 5C). Cette accumulation de cuivre en surface est responsable de l'agglomération des particules. Une proportion non négligeable du cuivre est toujours piégée à l'intérieur de la matrice en fin de test. The porosity of the particles is only 4%, consisting essentially of large cavities still present within the particles (size centered around 3700 nm). The low conversion of methane can be directly related to the lack of porosity of the matrix, which encapsulates a large proportion of copper and makes it inaccessible to different gases. The gradual increase in conversion is probably due to the migration of copper to the periphery of the particles over the redox cycles. In fact, the SEM analysis after aging shows that a copper crust has accumulated on the surface of the particles during the test (SEM image of FIG. 5C). This accumulation of copper on the surface is responsible for the agglomeration of the particles. A significant proportion of the copper is still trapped inside the matrix at the end of the test.
L'analyse DRX montre que la matrice initialement amorphe a formé une phase cristalline, l'albite (NaAISi308), dont le point de fusion (1 120°C) est faible relativement à la celsiane. On observe également la présence de ténorite (CuO), de quartz, de cuprite (Cu20) et de traces de néphéline. The XRD analysis shows that the initially amorphous matrix formed a crystalline phase, the albite (NaAISi 3 0 8 ), whose melting point (1120 ° C.) is weak relative to the celsiane. The presence of tenorite (CuO), quartz, cuprite (Cu 2 O) and traces of nepheline is also observed.
La formation d'une croûte de cuivre en périphérie des particules et la trop faible porosité de la matrice albite rend l'utilisation de ce type de particules inenvisageable dans un lit fluidisé circulant à l'échelle industrielle. Exemple 7 : solide porteur d'oxygène CuO/Slawsonite The formation of a copper crust at the periphery of the particles and the too low porosity of the albite matrix makes the use of this type of particles unthinkable in a circulating fluidized bed on an industrial scale. Example 7: CuO / Slawsonite oxygen carrier solid
Selon cet exemple 7, on forme un solide porteur d'oxygène comportant une matrice céramique de slawsonite (feldspath) au sein de laquelle est dispersée une masse active d'oxydo-réduction d'oxyde(s) de cuivre. According to this example 7, an oxygen carrier solid is formed comprising a slawsonite ceramic matrix (feldspar) in which is dispersed an active oxide redox oxide (s) active mass.
Le solide porteur d'oxygène selon cet exemple est obtenu à partir d'un précurseur zéolithique macroporeux SrLSX (SrLSX signifie zéolithe LSX échangée au strontium), à partir des étapes suivantes : une agglomération de cristaux de zéolithe LSX, de rapport atomique Si/AI = 1 et de diamètre moyen en nombre égal à 1 ,5 μηη, avec de la kaolinite et de la silice, et mise en forme par granulation, suivie d'un séchage puis d'une calcination à 550°C sous courant d'azote pendant 2 h, et tamisage des agglomérés obtenus de manière à récupérer des particules de granulométrie comprise entre 200 μηη et 500 μηη, avec un diamètre médian en volume autour de 350μηη. une zéolithisation du liant par contact des particules obtenues placées dans un réacteur en verre avec une solution aqueuse de soude de concentration 100 g/l à une température de 100°C sous agitation pendant 3 h. On procède ensuite au lavage des particules en 3 opérations successives de lavage à l'eau suivi de la vidange du réacteur. On s'assure de l'efficacité du lavage en mesurant le pH final des eaux de lavage qui est compris entre 10 et 10,5. - un échange par le strontium au moyen d'une solution de chlorure de strontium 0,5 M à 95°C en 4 étapes. A chaque étape, le rapport volume de solution sur masse de solide est de 20 ml/g et l'échange est poursuivi pendant 4 heures à chaque fois. Entre chaque échange, le solide est lavé plusieurs fois de manière à le débarrasser des excédents de sel. Le taux d'échange en strontium de ce précurseur zéolithique est de 94%. The oxygen carrier solid according to this example is obtained from a macroporous zeolite precursor SrLSX (SrLSX means zeolite LSX exchanged with strontium), from the following steps: an agglomeration of LSX zeolite crystals, of atomic ratio Si / Al = 1 and with a mean diameter in number equal to 1.5 μηη, with kaolinite and silica, and shaped by granulation, followed by drying and then calcination at 550 ° C. nitrogen stream for 2 h, and sieving the agglomerates obtained so as to recover particles with a particle size of between 200 μηη and 500 μηη, with a median volume diameter around 350μηη. a zeolitization of the binder by contact of the obtained particles placed in a glass reactor with an aqueous solution of sodium hydroxide concentration 100 g / l at a temperature of 100 ° C with stirring for 3 h. The particles are then washed in 3 successive operations of washing with water followed by the emptying of the reactor. The effectiveness of the washing is ensured by measuring the final pH of the washing water which is between 10 and 10.5. an exchange with strontium by means of a solution of 0.5 M strontium chloride at 95 ° C. in 4 steps. At each step, the volume ratio of solution to solid mass is 20 ml / g and the exchange is continued for 4 hours each time. Between each exchange, the solid is washed several times in order to rid it of excess salt. The strontium exchange rate of this zeolite precursor is 94%.
Le volume poreux du précurseur de la matrice céramique mis en forme (matériau zéolithique SrLSX macroporeux), mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0, 195 ml/g. Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0, 183 ml/g, et le volume mésoporeux est de 0,012 ml/g. La distribution en taille des macropores est comprise entre 50 nm et 950 nm, centrée sur 300 nm. Cette distribution est visible sur la figure 6A où Vi Z se réfère à la porosité du précurseur de la matrice céramique. The pore volume of the precursor of the shaped ceramic matrix (macroporous SrLSX zeolite material), measured by mercury porosimetry, is 0.195 ml / g. The macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.183 ml / g, and the mesoporous volume is 0.012 ml / g. The size distribution of the macropores is between 50 nm and 950 nm, centered on 300 nm. This distribution is visible in Figure 6A where Vi Z refers to the porosity of the precursor of the ceramic matrix.
122 g de cette zéolithe ont été imprégnés à sec par 51 g de nitrate de cuivre en solution aqueuse. Après séchage à 120°C et calcination à 800°C pendant 12h, un solide porteur d'oxygène selon l'invention contenant 12% massique de CuO est obtenu. La distribution en taille des particules, mesurée par granulométrie laser en phase liquide, indique Dv10 = 195 μπι, Dv50= 320 μηι et Dv90 = 495 μπι. 122 g of this zeolite were dry impregnated with 51 g of copper nitrate in aqueous solution. After drying at 120 ° C. and calcination at 800 ° C. for 12 hours, an oxygen-carrying solid according to the invention containing 12% by weight of CuO is obtained. The size distribution of the particles, measured by liquid-phase laser particle size distribution, indicates Dv10 = 195 μπι, Dv50 = 320 μηι and Dv90 = 495 μπι.
Après calcination à 800°C, la structure zéolithique initiale est totalement détruite. La ténorite (CuO) et deux polymorphes de la slawsonite (SrAI2Si208 hexagonale et Sro.8AluSi2.3O8 monoclinique) sont détectés par DRX. L'intensité des pics de diffraction des deux polymorphes est similaire. Le volume poreux du solide porteur d'oxygène selon l'invention, mesuré par porosimétrie au mercure, est de 0,093 ml/g. Le volume macroporeux (taille de pores > 50 nm) est de 0,091 ml/g, et le volume mésoporeux est de 0,002 ml/g. La distribution en taille des macropores est comprise entre 50 nm et 3500 nm, centrée sur 350 nm. Cette distribution est visible sur la figure 6A où Vi S se réfère à la porosité du solide porteur d'oxygène initial (avant test de vieillissement). After calcination at 800 ° C., the initial zeolite structure is completely destroyed. Tenorite (CuO) and two polymorphs of slawsonite (RIAS 2 Si 2 0 8 and hexagonal Sro. AluSi2.3O8 monoclinic 8) are detected by XRD. The intensity of the diffraction peaks of the two polymorphs is similar. The porous volume of the oxygen carrier solid according to the invention, measured by mercury porosimetry, is 0.093 ml / g. The macroporous volume (pore size> 50 nm) is 0.091 ml / g, and the mesoporous volume is 0.002 ml / g. The size distribution of the macropores is between 50 nm and 3500 nm, centered on 350 nm. This distribution is visible in FIG. 6A where Vi S refers to the porosity of the initial oxygen-carrying solid (before aging test).
La surface spécifique du porteur d'oxygène selon l'invention, mesurée par adsorption d'azote selon la méthode BET est de 3 m2/g. The specific surface area of the oxygen carrier according to the invention, measured by nitrogen adsorption according to the BET method, is 3 m 2 / g.
L'analyse MEB-EDX sur section polie montre que la distribution du cuivre à l'intérieur des particules est relativement homogène sous forme de nodules de taille comprise entre 0, 1 μηη et 5 μηη dispersés dans la macroporosité. SEM-EDX analysis on a polished section shows that the distribution of copper inside the particles is relatively homogeneous in the form of nodules of size between 0.1 μηη and 5 μηη dispersed in the macroporosity.
Le vieillissement des particules en lit fluidisé batch a été réalisé selon le même protocole que dans l'exemple 1. The aging of the particles in a batch fluidized bed was carried out according to the same protocol as in Example 1.
La conversion du méthane en eau et en dioxyde de carbone est stable, de l'ordre de 59 % sur la totalité du test. The conversion of methane to water and carbon dioxide is stable, of the order of 59% over the entire 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. It should be noted that the nature of the active mass used (CuO) causes the appearance of oxygen during the nitrogen sweeping step. The particles can therefore be used indifferently in a CLC or CLOU type process.
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. The partial conversion of methane relative to Example 2 is not a problem with respect to the CLC or CLOU process on an industrial scale, the total conversion of the fuel can be achieved by modifying the residence times of the particles. , gas velocities and / or inventory in the reduction reactor.
Comme dans l'exemple 3, la distribution en taille des particules après le test de vieillissement est semblable à celle du matériau avant test. Contrairement aux observations de l'exemple 3, la distribution du cuivre après 250 cycles en lit fluidisé batch au sein des particules du porteur d'oxygène selon l'invention reste globalement homogène, avec une tendance nettement minimisée du cuivre à migrer vers la périphérie des particules. On observe toujours la présence de nodules cuivreux de taille comprise entre 0, 1 μηη et 5 μηη dans la porosité. La figure 6B qui est un cliché MEB d'une partie d'une particule du solide porteur d'oxygène après vieillissement montre cette texture. As in Example 3, the particle size distribution after the aging test is similar to that of the pre-test material. Contrary to the observations of Example 3, the copper distribution after 250 cycles in a batch fluidized bed within the particles of the oxygen carrier according to the invention remains generally homogeneous, with a markedly minimized tendency for copper to migrate towards the periphery of the particles. The presence of copper-bearing nodules is still observed between 0, 1 μηη and 5 μηη in the porosity. FIG. 6B, which is an SEM image of a portion of a particle of the oxygen-carrying solid after aging, shows this texture.
Les principales phases cristallines détectées par DRX après vieillissement sont la ténorite (CuO) et la slawsonite monoclinique. Quelques pics de très faible intensité caractéristiques de la slawsonite hexagonale et de l'aluminate de cuivre (CUAI2O4) sont également présents. The main crystalline phases detected by DRX after aging are tenorite (CuO) and monoclinic slawsonite. Some very weak peaks characteristic of hexagonal slawsonite and copper aluminate (CUAI2O4) are also present.
Le volume poreux des particules mesuré par porosimétrie au mercure a diminué de 23% (0,072 ml/g) au cours du vieillissement, et la taille des pores a augmenté (distribution en taille des pores centrée sur 550 nm). Un léger frittage de la matrice slawsonite a donc eu lieu. Le solide porteur d'oxygène après 250 cycles d'oxydo-réduction conserve néanmoins une distribution en taille de pores et un volume poreux suffisants pour limiter la migration du cuivre au sein des particules. The porous particle volume measured by mercury porosimetry decreased by 23% (0.072 ml / g) during aging, and the pore size increased (pore size distribution centered on 550 nm). A slight sintering of the slawsonite matrix therefore took place. The oxygen-carrying solid after 250 oxidation-reduction cycles nevertheless retains a pore size distribution and a pore volume sufficient to limit the migration of copper within the particles.

Claims

REVENDICATIONS
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 entre 60% et 100% poids d'au moins un feldspath ou un feldspathoïde ayant une température de fusion supérieure à 1500°C et entre 0% et 40% d'au moins un oxyde ; une porosité telle que : le volume poreux total du solide porteur d'oxygène, mesuré par porosimétrie au mercure, est compris entre 0,05 et 0,9 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. Particle-carrying oxygen solid for a process for the combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido-reduction in a chemical loop, comprising: an oxidation-reduction active mass constituting between 5% and 75% by weight of said carrier solid oxygen, said oxidation-reduction active mass comprising a metal oxide or a mixture of metal oxides and being capable of transporting oxygen in the chemical-loop oxidation-reduction combustion process; a ceramic matrix in which said oxidation-reduction active mass is dispersed, said ceramic matrix constituting between 25% and 95% by weight of said oxygen-carrying solid, and said ceramic matrix comprising between 60% and 100% weight of at least one feldspar or feldspathoid having a melting temperature above 1500 ° C and between 0% and 40% of at least one oxide; a porosity such that: the total pore volume of the oxygen-carrying solid, measured by mercury porosimetry, is between 0.05 and 0.9 ml / g, the pore volume of the macropores constitutes at least 10% of the total pore volume oxygen-carrying solid; the size distribution of the macropores within the oxygen carrier solid, measured by mercury porosimetry, is between 50 nm and 7 μηη.
Solide porteur d'oxygène selon la revendication 1 , dans lequel le volume poreux total du solide porteur d'oxygène est compris entre 0, 1 et 0,5 ml/g. An oxygen carrier solid according to claim 1, wherein the total pore volume of the oxygen-bearing solid is from 0.1 to 0.5 ml / g.
Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le volume poreux des macropores constitue au moins 50% du volume poreux total du solide porteur d'oxygène. Oxygen carrier solid according to one of claims 1 and 2, wherein the pore volume of the macropores constitutes at least 50% of the total pore volume of the oxygen-carrying solid.
Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la distribution en taille des macropores au sein du solide porteur d'oxygène est comprise entre 50 nm et 4 μηη. Oxygen carrier solid according to one of the preceding claims, wherein the size distribution of the macropores in the oxygen carrier solid is between 50 nm and 4 μηη.
5. Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite 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 CaMn03, un spinelle d'aluminate métallique présentant des propriétés redox, de préférence un spinelle d'aluminate métallique de formule CuAI204 ou un cuprospinelle de formule CuFe204. 5. Oxygen carrier solid according to one of the preceding claims, wherein said active redox active mass comprises at least one metal oxide included in the list consisting of the oxides of Fe, Cu, Ni, Mn and Co, a perovskite having redox properties, preferably a perovskite of formula CaMnO 3 , a metal aluminate spinel having redox properties, preferably a metal aluminate spinel of formula CuAl 2 O 4 or a Cuprospinelle of formula CuFe 2 0 4 .
6. Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite masse active d'oxydo-réduction comporte au moins un oxyde de cuivre. 6. Oxygen carrier solid according to one of the preceding claims, wherein said active redox active mass comprises at least one copper oxide.
7. Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins feldspath ou feldspathoïde a une température de fusion supérieure à 1700°C. 7. Oxygen carrier solid according to one of the preceding claims, wherein said at least feldspar or feldspathoid has a melting temperature greater than 1700 ° C.
8. Solide porteur d'oxygène selon la revendication 7, dans lequel ledit au moins un feldspath ou feldspathoïde de ladite matrice en céramique est un feldspath choisi dans la liste constituée par la celsiane, la slawsonite, l'anorthite, ou un feldspathoïde étant la kalsilite, et est de préférence la celsiane 9. Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un oxyde de la matrice en céramique est choisi dans la liste constituée par l'alumine, les aluminates métalliques, la silice, les silicates, les aluminosilicates, le dioxyde de titane, les pérovskites, la zircone. An oxygen carrier solid according to claim 7, wherein said at least one feldspar or feldspathoid of said ceramic matrix is a feldspar selected from the list consisting of celsiana, slawsonite, anorthite, or a feldspathoid being the kalsilite, and is preferably celsiane 9. Oxygen carrier solid according to one of the preceding claims, wherein said at least one oxide of the ceramic matrix is selected from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia.
10. Solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les particules ont une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 μηη et 600 μηη. 10. Oxygen carrier solid according to one of the preceding claims, wherein the particles have a particle size such that more than 90% of the particles have a size between 50 μηη and 600 μηη.
Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 10, comportant les étapes suivantes : Process for the preparation of an oxygen-carrying solid according to one of Claims 1 to 10, comprising the following steps:
(A) la préparation d'un précurseur d'une matrice céramique comportant : a1 ) la préparation d'un matériau zéolithique macroporeux, ledit matériau comportant des cristaux de zéolithe de diamètre moyen en nombre inférieur ou égal à 3 μηη, et de préférence de diamètre moyen en nombre compris entre 0,4 μηη et 2 μηη ; et a2) un échange cationique dudit matériau zéolithique macroporeux avec une solution d'ions précurseurs, les ions précurseurs étant choisis pour former un feldspath ou feldspathoïde de température de fusion > 1500°C de la matrice céramique à l'issue de l'étape (D), ledit échange cationique étant suivi d'un lavage dudit matériau zéolithique macroporeux, pour obtenir ledit précurseur de la matrice céramique ; (A) the preparation of a precursor of a ceramic matrix comprising: a1) the preparation of a macroporous zeolite material, said material comprising zeolite crystals with a mean diameter of less than or equal to 3 μηη, and preferably of average diameter in number between 0.4 μηη and 2 μηη; and a2) a cationic exchange of said macroporous zeolite material with a solution of precursor ions, the precursor ions being chosen to form a feldspar or feldspathoid with a melting temperature> 1500 ° C. of the ceramic matrix at the end of the step ( D), said cationic exchange being followed by a washing of said macroporous zeolite material to obtain said precursor of the ceramic matrix;
(B) l'imprégnation dudit précurseur de la matrice céramique obtenu à l'étape (A) par un composé précurseur d'une masse active d'oxydo-réduction ; (B) impregnating said precursor of the ceramic matrix obtained in step (A) with a precursor compound of an oxidation-reduction active mass;
(C) la mise sous forme de particules du précurseur de la matrice céramique au cours de l'étape (a1 ) ou à l'issue de l'étape (B) ; (C) forming particles of the precursor of the ceramic matrix during step (a1) or at the end of step (B);
(D) le séchage du précurseur de la matrice céramique imprégné sous forme de particules obtenu à l'issu de l'ensemble des étapes (A), (B) et (C); et (D) drying the precursor of the impregnated ceramic matrix in particle form obtained at the end of all of the steps (A), (B) and (C); and
(E) la calcination du précurseur de la matrice céramique imprégné et séché obtenu à l'étape (D) pour l'obtention du solide porteur d'oxygène sous forme de particules. (E) calcining the precursor of the impregnated and dried ceramic matrix obtained in step (D) to obtain the particulate oxygen carrier solid.
12. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon la revendication 1 1 , dans lequel l'étape a1 ) comporte : 12. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to claim 11, in which step a1) comprises:
- a'1 ) l'agglomération des cristaux de zéolithe avec un liant argileux pour former un aggloméré zéolithique ; - a'2) la mise en forme de l'aggloméré zéolithique obtenu à l'étape a'1 ) pour produire des particules, suivie d'un séchage desdites particules, et éventuellement suivi d'une étape de tamisage et/ou de cyclonage ; - a'1) agglomeration of zeolite crystals with a clay binder to form a zeolite agglomerate; - a'2) the shaping of the zeolite agglomerate obtained in step a'1) to produce particles, followed by drying of said particles, and possibly followed by a sieving and / or cycloning step ;
- a'3) la calcination des particules de l'aggloméré zéolithique obtenues à l'étape a'2) à une température comprise entre 500°C et 600°C pour produire le matériau zéolithique macroporeux sous forme de particules ; - a'3) calcining the particles of the zeolite agglomerate obtained in step a'2) at a temperature between 500 ° C and 600 ° C to produce the macroporous zeolite material in particulate form;
- a'4) optionnellement la zéolithisation du liant argileux par mise en contact du produit résultant de l'étape a'3) avec une solution aqueuse basique alcaline, suivie d'un lavage. - a'4) optionally the zeolitization of the clay binder by contacting the product resulting from step a'3) with an alkaline basic aqueous solution, followed by washing.
13. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 et 12, dans lequel lesdits cristaux zéolithiques comprennent au moins une zéolithe de rapport molaire Si/AI compris entre 1 ,00 et 1 ,50, de préférence lesdits cristaux zéolithiques comprenant au moins une zéolithe choisie parmi les zéolithes A, X, LSX et low-silica EMT, lesdites low-silica EMT comportant un rapport Si/AI compris entre 1 ,0 et 1 ,4. 14. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 13, dans lequel l'échange cationique à l'étape a2) est réalisé avec une solution comportant des ions alcalins, de préférence K+, ou des ions alcalino-terreux, et de préférence avec une solution comportant des ions alcalino-terreux. 13. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 and 12, wherein said zeolite crystals comprise at least one zeolite with an Si / Al molar ratio of between 1.00 and 1.5, preferably, said zeolitic crystals comprising at least one zeolite chosen from zeolites A, X, LSX and low-silica EMT, said low-silica EMT having a Si / Al ratio of between 1.0 and 1.4. 14. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 13, wherein the cationic exchange in step a2) is carried out with a solution comprising alkaline ions, preferably K +, or alkaline earth ions, and preferably with a solution comprising alkaline earth ions.
15. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon la revendication 14, dans lequel l'échange cationique à l'étape a2) est réalisé avec une solution comportant des ions choisis parmi les ions Ba2+, Sr2*, Ca2+, et de préférence avec une solution comportant des ions Ba2+. 15. A process for preparing a solid oxygen carrier according to claim 14, wherein the cation exchange step a2) is carried out with a solution comprising ions selected from Ba 2+, Sr 2 * Ca 2+ , and preferably with a solution comprising Ba 2+ ions.
16. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 15, dans lequel l'étape (A) comporte en outre une étape a3) de traitement thermique du matériau zéolithique macroporeux obtenu à l'étape a2), ledit traitement thermique comportant une étape de séchage à une température comprise entre 100°C et 400°C. 17. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 16, dans lequel à l'étape (C) on met le précurseur de la matrice céramique sous forme de particules ayant une granulométrie telle que plus de 90% des particules ont une taille comprise entre 50 μηη et 600 μηη. 16. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 15, wherein step (A) further comprises a step a3) of heat treatment of the macroporous zeolite material obtained at step a2), said heat treatment comprising a drying step at a temperature of between 100 ° C and 400 ° C. 17. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 16, wherein in step (C) the precursor of the ceramic matrix is placed in the form of particles having a particle size such that more than 90% of the particles have a size of between 50 μηη and 600 μηη.
18. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 17, dans lequel l'imprégnation à l'étape (B) est réalisée 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(N03)2.xH20, Ni(N03)2.xH20, Co(N03)2.xH20, Fe(N03)3.xH20, Mn(N03)2.xH20. 18. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 17, in which the impregnation in step (B) is carried out with an aqueous or organic solution containing at least one precursor compound. soluble copper, nickel, cobalt, iron or manganese, preferably with an aqueous solution containing at least one precursor compound of the oxidation-reduction active mass selected from the list consisting of nitrates of the following formulas: Cu (N0 3 ) 2 .xH 2 O, Ni (NO 3 ) 2 .xH 2 O, Co (NO 3 ) 2 .xH 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .xH 2 O, Mn (NO 3 ) 2 . xH 2 0.
19. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 18, dans lequel l'imprégnation à l'étape (B) 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. 19. Process for the preparation of an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 18, in which the impregnation in step (B) is carried out in one or more successive stages, and preferably comprises intermediate stages of drying at a temperature between 30 ° C and 200 ° C and / or calcination at a temperature between 200 ° C and 600 ° C when the impregnation is carried out in several successive steps.
20. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 19, dans lequel le séchage à l'étape (D) 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. 20. Process for the preparation of an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 19, wherein the drying in step (D) is carried out under air or in a controlled atmosphere, at a temperature between 30.degree. ° C and 200 ° C, and preferably in air at a temperature between 100 ° C and 150 ° C.
21. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 20, dans lequel la calcination à l'étape (E) est effectuée sous air 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. 22. Procédé de préparation d'un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 1 à 21 , dans lequel à l'étape a1 ) on mélange les cristaux de zéolithe à au moins un oxyde choisi dans la liste constituée par l'alumine, les aluminates métalliques, la silice, les silicates, les aluminosilicates, le dioxyde de titane, les pérovskites, la zircone, et/ou à un agent porogène destiné à augmenter la macroporosité du matériau zéolithique macroporeux. 21. A process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 20, wherein the calcination in step (E) is carried out in air between 450 ° C and 1400 ° C, preferably between 600 ° C and 1000 ° C, more preferably between 700 ° C and 900 ° C, and is carried out for a period of 1 to 24 hours, and preferably for a period of 5 to 15 hours. 22. Process for preparing an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 1 to 21, wherein in step a1) the zeolite crystals are mixed with at least one oxide selected from the list consisting of alumina, metal aluminates, silica, silicates, aluminosilicates, titanium dioxide, perovskites, zirconia, and / or a pore-forming agent for increasing the macroporosity of the macroporous zeolite material.
23. Procédé de combustion d'une charge hydrocarbonée par oxydo-réduction en boucle chimique utilisant un solide porteur d'oxygène selon l'une des revendications 1 à 10, ou préparé selon le procédé selon l'une des revendications 1 1 à 23. 23. A process for the combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido-reduction in a chemical loop using an oxygen-carrying solid according to one of claims 1 to 10, or prepared according to the method according to one of claims 1 1 to 23.
24. Procédé de combustion d'une charge hydrocarbonée par oxydo-réduction en boucle chimique selon la revendication 23, 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. 24. A process for the combustion of a hydrocarbon feedstock by oxido-reduction in a chemical loop according to claim 23, preferably in which the oxygen-bearing solid circulates between at least one reduction zone and an oxidation zone both operating. in a fluidized bed, the temperature in the reduction zone and in the oxidation zone being between 400 ° C. and 1400 ° C., preferably between 600 ° C. and 1100 ° C., and more preferably between 800 ° C. and 1100 ° C.
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