Oxycombustion

Un procédé d'oxycombustion est une combustion où l'on utilise directement de l'oxygène comme comburant plutôt que simplement de l'air.

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

Application au captage du dioxyde de carbone

Introduction

Dans la composition des combustibles fossiles, on trouve essentiellement du carbone (C), de l'hydrogène (H), ainsi que, en plus faibles proportions, de l'oxygène (O), de l'azote (N) et du soufre (S).
Lorsque ces combustibles sont brûlés dans l'air composé d'azote (N₂) pour environ 79 % et d'oxygène (O₂) pour environ 21 %, ce dernier réagit avec les composants du combustible pour donner du dioxyde de carbone (CO₂), de l'eau sous forme de vapeur (H₂O), du dioxyde de soufre (SO₂) et des oxydes d'azote (NOx). L'azote de l'air ne participe pas à la réaction (à ceci près qu'il peut être partiellement dissocié à haute température et donner également des NOx) et se retrouve dans les fumées de combustion. Celles-ci sont donc composées principalement d'azote, de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, les autres composants n'étant présents qu'en proportion plus réduite.
Ceux-ci, polluants notables, peuvent être éliminés par réaction chimique : le dioxyde de soufre par réaction avec du calcaire ou de la chaux, donnant alors du sulfate de calcium (CaSO₄) ; les NOx peuvent être réduits par réaction avec de l'ammoniaque. L'élimination par voie chimique du dioxyde de carbone est plus difficile. Or ce gaz est un gaz à effet de serre et est considéré comme le principal contributeur au réchauffement climatique.
Parmi les techniques explorées pour extraire des fumées de combustion, le dioxyde de carbone, l'oxy-combustion semble prometteuse.

Principe

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

Mise en œuvre

La combustion dans l'oxygène pur augmente considérablement les températures de flamme et les équipements dans lesquels l'oxy-combustion serait utilisée (fours, foyers de chaudière...) ne supporteraient pas de telles températures. C'est pourquoi, on utilise du dioxyde de carbone recyclé comme ballast pour remplacer l'azote de l'air.
En théorie, si on brûle le combustible dans un "air" composé de 21 % d'oxygène et de 79 % de dioxyde de carbone, on retrouve des températures semblables à celles d'une combustion à l'air. En fait, on n'a pas besoin de respecter scrupuleusement cette proportion (21 % / 79 %), d'autant plus que l'azote et le dioxyde de carbone n'ont pas les mêmes caractéristiques physiques (masse volumique, émissivité...). En pratique des expériences sont en cours pour optimiser cette proportion.
L'installation d'oxy-combustion comprend donc une unité de séparation d'air (produisant l'oxygène nécessaire et de l'azote), une installation de combustion (four, chaudière...) rejetant du CO₂ et de la vapeur d'eau, un ventilateur de recyclage renvoyant vers le(s) brûleur(s) une partie des fumées (CO₂ + H₂O) qui sera mélangée avec l'oxygène venant de l'unité de séparation d'air, pour constituer le comburant et un condenseur permettant d'éliminer la vapeur d'eau.

Inconvénients

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