Alternative catalytic strategies for direct CO2 valorization from flue gas emissions

Abstract

Abstract: The increase on the world’s population and energy demand has led to significant climate change as a result of the large emissions of greenhouse gases (GHG) from an energy matrix heavily relied on fossil-based fuels. In 2021, carbon dioxide (CO2) concentration in the atmosphere reached 414.7 ppm, with up to 90% of anthropogenic CO2 coming from the burning of fossil fuels. In the context of the Paris Agreement 2015, Canada has committed to a GHG emissions reduction target of 40–45% below 2005 levels by 2030, but this ambitious target will only be achieved through the development of novel alternative technologies that allow the transition to a low-carbon energy matrix. Flue gases (FG) are gaseous products of combustion carrying significant amounts of CO2 and other GHG emissions, such as nitrogen (NOx) and sulfur (SO2) oxides. The valorization of FG is an interesting pathway towards GHG reduction, since the recovered CO2 can be used to produce low-carbon energy vectors of industrial interest, avoiding further fossil exploitation. However, the valorization of FG still requires several FG cleaning and CO2 purification steps, which increase the costs associated with the process. The present project proposed investigating the feasibility of alternative catalytic strategies for the direct valorization of real FG streams as an option to traditional carbon capture and utilization (CCU) technologies that require CO2 purification. In the first part of this work, the feasibility of direct FG conversion was investigated with classical alumina-supported catalysts to produce syngas, an industrially relevant building block. The operating conditions were optimized to validate the process. In the second part of this work, hydroxyapatite (HAP) was proposed as an alternative catalyst support for CO2 methanation process, as an alternative for classical metal oxides. The process operating conditions were optimized, and the performance of the HAP-supported catalyst was validated at semi-pilot scale. Finally, in the third part of this work, the optimized HAP-supported nickel catalyst was pelletized by extrusion process and validated for direct FG methanation on lab- and semi-pilot scale. Overall, the results presented in this work can pave the way for the development of an efficient process for direct upgrading flue gas streams into industrially relevant low-carbon energy vectors.

L’augmentation de la population mondiale et de la demande énergétique a entraîné d’importants changements climatiques en raison des importantes émissions de gaz à effet de serre (GES) provenant d’une matrice énergétique basée fortement sur des combustibles fossiles. En 2021, la concentration de dioxyde de carbone (CO2) dans l’atmosphère a atteint 414,7 ppm, avec jusqu’à 90% du CO2 anthropique provenant de la combustion de combustibles fossiles. Dans le contexte de l’Accord de Paris de 2015, le Canada s’est engagé à atteindre un objectif de réduction des émissions de GES de 40 à 45 % par rapport aux niveaux de 2005 d’ici 2030. Par contre, cet objectif ambitieux ne sera atteint que par le développement de nouvelles technologies alternatives qui permettent de sécuriser la transition vers une matrice énergétique à faibles émissions de carbone. Les gaz d’échappement (FG) sont des produits gazeux de combustion transportant des quantités importantes de CO2 et d’autres GES, comme les oxydes d’azote (NOx) et de soufre (SO2). La valorisation du FG est une voie intéressante vers la réduction des émissions de GES, car le CO2 récupéré peut être utilisé pour produire des vecteurs énergétiques à faible intensité en carbone d’intérêt industriel, évitant ainsi une exploitation fossile ultérieure. Cependant, la valorisation du FG nécessite encore plusieurs étapes de nettoyage du FG et de purification du CO2, ce qui augmente les coûts associés au processus. Le présent projet propose d’étudier la faisabilité de stratégies catalytiques alternatives pour la valorisation directe des FG en tant qu’option aux technologies traditionnelles de captage et d’utilisation du carbone (CCU) qui nécessitent une purification du CO2. Dans la première partie de ce travail, la faisabilité d’une conversion directe en FG a été étudiée avec des catalyseurs classiques soutenus par l’alumine pour produire du gaz de synthèse, un élément constitutif pertinent sur le plan industriel. Les conditions de fonctionnement du procédé ont été optimisées pour valider le procédé. Dans la deuxième partie de ces travaux, l’hydroxyapatite (HAP) a été proposée comme catalyseur alternatif pour le procédé de méthanisation du CO2, comme alternative aux oxydes métalliques classiques. Les conditions de fonctionnement du procédé ont été optimisées et les performances du catalyseur à base d’HAP ont été validées à l’échelle semi-pilote. Enfin, dans la troisième partie de ces travaux, le catalyseur optimisé d’HAP dopé avec du nickel a été granulé par procédé d’extrusion et validé pour la méthanisation directe de FG à l’échelle du laboratoire et semi-pilote. Dans l’ensemble, les résultats présentés dans ce travail peuvent ouvrir la voie au développement d’un procédé efficace pour la valorisation directe des gaz d’échappement en vecteurs énergétiques à faible intensité en carbone pertinents sur le plan industriel.