Microwave Heating-Assisted Chemical Looping Dry Reforming of Methane

Le syngaz ou gaz de synthèse, est un mélange gazeux de monoxyde de carbone (CO) et d’hydrogène (H2). Le gaz de synthèse est une matière première essentielle pour la production de plusieurs produits chimiques, tels que l’éthanol et le méthanol. En outre, plus de la moitié de la production mondiale de H2 est obtenue par la séparation entre H2 et le gaz de synthèse. L’objectif principal de cette recherche est d’étudier la production durable de gaz de synthèse en utilisant le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2), qui représentent ensemble plus de 90% des gaz à effet de serre (GHG). Par conséquent, cette recherche a proposé et étudié un concept innovant de production de gaz de synthèse en intégrant la boucle chimique (CL) au chauffage par micro-ondes (MWH), tout en utilisant du CH4 et du CO2. Ce concept, appelé reformage à sec du méthane par CL assisté par MWH (MWHCL-DRM), vise à améliorer l’efficacité du processus d’utilisation du CO2 et du CH4 pour la production de gaz de synthèse. La première étape de cette recherche visait à développer et à évaluer un montage à l’échelle du laboratoire pour le MWHCL-DRM. Cette étape a permis d’évaluer l’influence de la méthode de chauffage, chauffage conventionnel (CH) et MWH, sur la productivité du procédé. La productivité du procédé a été attribuée à sa capacité à empêcher le dépôt de carbone ainsi qu’à augmenter le taux de réduction de Fe3O4 par CH4, conduisant à la production de gaz de synthèse et l’oxydation de Fe par CO2, conduisant à la production de CO. Une évaluation initiale a été menée pour chauffer la magnétite (Fe3O4), transporteur d’oxygène choisi dans cette étude, sous MW pour montrer la supériorité du MWH par rapport au carbure de silicium (SiC). La productivité du procédé du MWHCL-DRM à l’échelle du laboratoire a ensuite été comparée au CL-DRM assisté par CH à l’échelle du laboratoire (CHCL-DRM). Dans le CHCL-DRM, le dépôt de carbone sur les particules a été détecté, alors qu’aucun signe de dépôt de carbone n’a été observé dans le MWHCL-DRM. De plus, par rapport au CHCL-DRM, le MWHCL-DRM a amélioré le taux de réduction de Fe3O4 (l’augmentant de 2.5 fois). En outre, par rapport au CHCL-DRM, une augmentation (environ 50%) du taux d’oxydation de Fe en Fe3O4 a été mesurée dans le MWHCL-DRM.

Abstract

Syngas, or synthesis gas, is a gaseous mixture of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO). Syngas is a key feedstock to produce several chemicals, such as ethanol and methanol. In addition, over half of the global H2 production is achieved by separating H2 from syngas. This research’s main objective is to develop a sustainable syngas production method by utilizing methane (CH4) and carbon dioxide (CO2), which are the vast majority (over 90%) of the greenhouse gas (GHG) emissions. To simultaneously utilize CO2 and CH4 as well as produce syngas, one can integrate chemical looping (CL) with dry reforming of methane (DRM). However, the CL-DRM heated conventionally encounters serious constraints, which are mainly the need to operate the fuel (reducer) reactor at elevated temperatures (usually over 900°C) and the deposition of coke in the fuel reactor due to the thermal decomposition of CH4 in the gas phase. Electrifying a process through microwave heating (MWH) can mitigate or minimize GHG emissions caused by generating heat from fossil fuels. In addition, the MWH can radically accelerate process productivity. Hence, this research mainly focuses on incorporating the MWH with the CL-DRM to propose and investigate an innovative concept for syngas production by utilizing CH4 and CO2. The novel concept of MWH-assisted CL-DRM (MWHCL-DRM) is a sustainable GHG utilization technology capable of accelerating process efficiency.