Brevet FR2620798A1 — publié le 19890324

_ 1 _ Procédé et installation pour l'utilisation d'un combus- tible pétrolier de haute viscosité. La présente invention concerne l'utilisation directe, sur le lieu de production, d'un combustible pétrolier à haute viscosité, provenant d'une unité de traitement thermique, telle qu'une unité de distillation ou de conver- sion d'une charge d'hydrocarbures. Elle a plus particulière- ment pour objet un procédé et une installation conçus en vue de l'utilisation comme combustible, dans au moins un brûleur, d'un tel résidu présentant une viscosité cinématique comprise entre 0,005 et r1d/s (c'est-à-dire 5000 à un million de cen- tistokes) à 100 C. L'augmentation des coûts du pétrole brut et les besoins croissants en coupes hydrocarbonées légères ont amené ces dernières années les sociétés pétrolières à modifier les conditions de distillation et de traitement par conversion du pétrole brut, au profit de la production de produits légers tels que gaz, gazoles et essences, au détriment de la production des fuels lourds, à telle enseigne que même les résidus de distillation sous vide du pétrole sont con- sidérés aujourd'hui comme des combustibles nobles. Ces conditions d'exploitation se traduisent par une production finale de résidu pétrolier de masse volumique élevée (au moins 1kg/dm3 à 15 C et, parfois 1,1 kg/dm3), qui ont en effet une viscosité à 100 C pouvant atteindre jusqu'à 1d/s. Leur valeur économique est donc faible et il est par conséquent intéressant de pouvoir les brûler directement dans les fours des raffineries, en lieu et place des fuels habituels. La combustion des moins visqueux d'entre eux s'effectue généralement en phase liquide, après un préchauf- -6 fage apte à abaisser leur viscosité à environ 15.10 -6/S soit 15 cst, avec des brûleurs à pulvérisation assistée à la vapeur. Pour les autres, la combustion peut s'effectuer en phase solide, après broyage, si leuis points de ramollis- sement sont suffisamment élevés, ou en phase liquide mais après fluxage avec une coupe hydrocarbonée plus légère, pour 2- obtenir une viscosité plus faible, acceptable pour les brûleurs industriels. - La combustion directe en raffinerie des produits à très forte viscosité pose donc de sérieux problèmes, car, la viscosité maximum admissible au niveau des brûleurs usuels étant de l'ordre de 15.10 6rd/s (soit 15 cst), ceci implique généralement que la température du résidu à brûler puisse atteindre au moins 300 C et plus. Les résidus combustibles sont certes disponibles à des températures comprises entre 350 et 400 C, ce qui les rend directement utilisables sur place, mais leur acheminement vers des installations de combustion éloignées, o on les emploie comme combustible, se traduit par des pertes de calories, auxquelles il faut remédier par un calorifugeage poussé des conduites, voire par un réchauffage du fuel avant utilisation, ce qui est naturellement très coûteux. Cette difficulté est par ailleurs aggravée par le fait que le maintien d'un combustible à haute viscosité pendant un certain temps à une température élevée, par exemple su- périeure à 400 C, est susceptible de provoquer un craquage thermique du combustible, avec formation de gaz et de coke susceptible de se déposer dans les canalisations. Enfin, lorsque le combustible à haute viscosité provient d'une unité de conversion telle qu'une unité de viscoréduc- tion, il est à craindre que son maintien pendant une certai- ne durée à une température supérieure à 350-400 C suivant ie type de charge, ne conduise à une prolongation de la réaction, avec précipitation d'asphaltènes dans les canali- sations: avec ces combustibles pétroliers à très haute viscosité, il est donc très difficile de compenser les inévitables pertes thermiques par une élévation de la tempe- rature initiale au-delà de 350-400 C, en raison des risques de bouchage des conduites par le coke et les asphaltènes. Or, le bouchage d'une canalisation peut entraîner des frais extrêmement élevés et même nécessiter le remplacement de cette canalisation. -3- En revanche, plus la viscosité du combustible est élevée, pius les risques de bouchage des conduites à la suite d'une baisse de la température au-dessous d'une certaine limite sont élevés: pour des combustibles ayant une viscosi- té comprise entre 0,005 et 1d/s à 100CC, cette limite est généralement d'environ 200 C. Ces risques de bouchage, résultant soit d'une tempéra- ture trop élevée des résidus pétroliers à haute viscosité, soit d'une température trop basse de ceux-ci,rend leur utilisation pratiquement impossible dans les installations actuelles, car elle impose le choix impératif d'une plage étroite de températures, d'autant plus difficile à maintenir que la distance d'acheminement du lieu de combustion est grande. La présente invention vise à remédier à ces graves inconvénients en proposant un procédé apte à maintenir la température requise pour éviter les bouchages de conduite, malgré les déperditions calorifiques entre les lieux de récupération des résidus pétroliers à haute viscosité et leurs lieux d'utilisation comme combustibles à l'intérieur de la raffinerie ou dans les dépendances de celle-ci. L'invention vise également à proposer un tel procédé qui puisse être mis en oeuvre sans risque de bouchage ac- cidentel des canalisations d'acheminement des résidus pétro- liers jusqu'à leurslieux d'utilisation comme combustible, en limitant les pertes thermiques de ces canalisations par un calorifugeage adéquat et en prévoyant des moyens propres à y maintenir une température minimale pour éviter les bouchages pouvant résulter aussi bien d'un craquage thermi- que que d'une panne des moyens d'alimentation. On sait que les pertes de calories d'un liquide se dé- plaçant dans un conduit, varient en sens inverse du volume convoyé. Autrement dit, plus le volume de liquide débité est important, plus les pertes calorifiques rapportées à l'uni- té de volume sont faibles. Pour amener un résidu pétrolier lourd à une température suffisante pour son utilisation - 4 - comme combustible sur les lieux même de production, l'inven- tion propose donc de convoyer ce combustible dans fine condui- te maintenue à une température supérieure à 280 C et de préférence à 300 C, avec un débit supérieur à son débit d'utilisation et de récupérer la fraction non utilisée. L'invention a, par conséquent, pour objet un procédé pour l'utilisation directe sur le lieu de production comme combustible, dans au moins un brûleur, d'un résidu pétro- lier de viscosité comprise entre 0,005 et 1lm/s à 100 C et dont la température nécessaire pour obtenir une viscosité de 15.10 6m/s (c'est-àdire 15 centistokes) est supérieure à 280 C, ce résidu provenant d'une unité de traitement ther- mique telle qu'une unité de fractionnement ou conversion d'une charge d'hydrocarbures, procédé dans lequel ledit résidu est prélevé dans ladite unité à une température supérieure à 300 C et est acheminé par une conduite calori- fugée vers ledit brûleur, ce procédé étant caractérisé en ce que le débit dudit résidu pétrolier dans ladite conduite en amont du brûleur, est supérieur de 10 à 100% et de pré- férence de 10 à 30% au débit d'alimentation dudit brûleur d'une fraction telle que l'accroissement de viscosité de ce résidu dû aux pertes thermiques, entre l'enceinte de pro- duction et ledit brûleur, reste compatible avec l'emploi dudit brûleur, et en ce que la partie dudit résidu non utilisée comme combustible est récupérée. La fraction non utilisée comme combustible de résidu pétrolier pourra être fluxée, puis stockée dans un réservoir maintenu à une température adéquate, mais avantageusement, elle sera recyclée directement et sans fluxage à l'unité de production. La température de prélèvement du résidu pétrolier sera avantageusement comprise entre 300 et 350 C, tandis que celle d'arrivée du combustible au brûleur sera avantageuse- ment comprise entre 280 C et 320 C, du fait des pertes thermiques inévitables dans cette partie de l'installation. La viscosité critique à ne pas dépasser à l'alimentation - 5 - du brûleur sera de 30.10 6 m2/s et, de préférence, de 15.10-6 m2/s, et le débit du résidu dans la conduite qui l'achemine vers son lieu d'utilisation sera ajusté de ma- nière à maintenir la viscosité au-dessous de cette limite. Le débit retenu dépendra naturellement de la longueur et du diamètre de cette conduite. Selon un mode particulièrement avantageux d'utilisation du procédé selon l'invention, on évite les risques de bou- chage des conduits liés au maintien du résidu à une tempéra- ture trop élevée en amenant à l'aide d'un échangeur de chaleur la température du combustible prélevé dans l'unité à une température de consigne garantissant la stabilité thermique du résidu dans l'ensemble de l'installation et comprise entre 280 et 350 C, et en compensant la diminution de température correspondante par une augmentation du débit du résidu dans la conduite en amont du brûleur. Dans la pratique, le débit du résidu dans la conduite de combustible sera donc rendu indépendant de la consomma- tion en combustible au brûleur; la régulation de ce débit pourra avantageusement être réalisée à l'aide de sondes de viscosité permettant de faire varier le débit du résidu pétrolier dans la conduite en amont du brûleur en fonction de la viscosité du résidu dans ladite conduite. L'invention a également pour objet une installation pour l'utilisation directe comme combustible, dans au moins un brûleur, d'un résidu pétrolier ayant une viscosité comprise entre 0,005et 1m2/s à 1000 C et dont la température nécessaire pour obtenir une viscosité de 15.10 6m2/s est supérieure à 280 C, provenant d'une unité de traitement thermique telle qu'une unité de fractionnement ou de conver- sion d'une charge d'hydrocarbures, cette installation comprenant un moyen pour prélever ledit résidu dans ladite unité, à une température égale ou inférieure à celle qui règne dans cette unité, au moins un brûleur pour brûler ledit résidu, une conduite calorifugée réunissant ladite enceinte de production audit brûleur et au moins un moyen pour l'acheminement dudit résidu dans ladite conduite, - 6 - installation caractérisée en ce que ledit moyen pour l'acheminement dudit résidu est tel que le débit de ce résidu dans ladite conduite est supérieur de 10 à 100% au débit d'alimentation dudit brûleur d'une fraction telle - que l'accroissement de viscosité de ce résidu dû aux pertes thermiques de ladite conduite entre le lieu de production et le point d'utilisation reste supérieur à 15.10-6m2/s, c'est-à-dire reste compatible avec son utilisa- tion comme combustible dans ledit brûleur, et en ce que des moyens sont prévus pour limiter l'alimentation du brûleur à: la fraction désirée du débit dans ladite conduite et pour récupérer la fraction excédentaire dudit résidu non utilisée comme combustible. De préférence, ladite conduite comprendra des moyens de calorifugeage aptes, d'une part,à éviter les pertes thermiques etd'autre part, en cas d'arrêt de l'unité in- dustrielle, à maintenir la température dudit résidu dans ladite conduite au-dessus d'un seuil de pompabilité qui sera compris entre 180 et 250 C et,de préférence, entre 180 et 220 C. Ces moyens de calorifugeage pourront comprendre un isolant thermique et, entre cet isolant thermique et la conduite, une zone tampon équipée de moyens de réchauffement de la conduite, par exemple à l'aide de lignes de traçage à la vapeur ou à l'aide de résistances électriques chauf- fantes, actionnées automatiquement lorsque la température de ladite conduite s'abaisse au-dessous du seuil ainsi prédéterminé. De préférence, une enceinte formant réservoir-tampon de pressurisation et isolée thermiquement de façon connue en soi sera disposée sur le circuit de ladite conduite entre l'enceinte de production du résidu et le brûleur d'utilisa- tion de ce résidu comme combustible. Le volume de cette enceinte sera avantageusement tel qu'il puisse assurer une heure d'alimentation du ou des brûleurs de façon à parer à tout arrêt de l'installation productrice. De préférence, l'installation comprendra des moyens -7- d'extraction de chaleur pour amener la température du ré- sidu dans le ballon-tampon à une température de consigne généralement supérieure à 300 C, ou celle de la ligne d'arrivée au brûleur à une température de consigne géné- ralement supérieure à 280 C, compte tenu du fait que ce différentiel de température de 20 C entre le ballon-tampon et le brûleur est un minimum sur ce type de conduite, quelle que soit l'isolation de celle-ci. En outre, l'alimentation du ballon-tampon étant réglée sur une température de consigne, le débit de la conduite en amont du brûleur pourra être régulé à l'aide d'une sonde mesurant la viscosité minimale du combustible. A titre de sécurité, un circuit distinct d'alimentation en combustible du brûleur à partir d'un réservoir auxiliaire pourra également être prévu. Ce circuit de secours utilise- ra, par exemple, un combustible d'un type usuel pour ali- menter le brûleur. Des moyens de contrôle et de commande seront avantageu- sement prévus pour commuter automatiquement l'alimentation du brûleur du circuit principal au circuit de secours, lors- que certains paramètres atteindront des valeurs critiques. Les moyens de contrôle mesureront, par exemple, en continu le débit, la pression, la température et/ou la viscosité du résidu au niveau du brûleur et transféreront l'alimenta- tion de celui-ci au circuit de secours dès qu'un seuil pré- fixé aura été atteint par l'un ou plusieurs de ces paramètres. Les dessins schématiques annexés illustrent une for- me de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Sur ces dessins: la figure I est un schéma d'une installation utilisant ce procédé; la figure 2 est une coupe transversale de la conduite d'acheminement du résidu pétrolier aux brûleurs, montrant les moyens dont elle est équipée pour y maintenir la tem- pérature au-dessus d'un seuil acceptable, tant en fonction- nement normal qu'en cas de panne d'alimentation en résidu pétrolier. - 8 - On se référera d'abord à la figure 1. Sur le circuit représentée, le fond d'une tour 1 de fractionnement est connecté comme il est usuel, par une ligne 2 à une pompe 3, qui évacue vers le stockage (non représenté), par une ligne 4, le résidu de distillation à haute viscosité, que l'on souhaite utiliser comme combus- tible. Sur la ligne 4 sont prévus des échangeurs thermiques qui récupèrent une partie des calories de ce combustible et, en particulier, l'échangeur 5 adapte sa température à la valeur plafond au-dessus de laquelle des bouchages pour- raient se produire par suite soit de craquage thermique, soit de précipitation d'asphaltènes. A cet effet, les dé- bits dans les lignes 7 sont asservis à une sonde 30 qui mesure en continu la viscosité du combustible en un point quelconque du circuit et commande les vannes 9 en tenant compte des pertes de calories entre l'emplacement de cette sonde et celui des échangeurs. Conformément à l'invention, une partie au moins du combustible est utilisée directement pour alimenter des brûleurs tels que 6 d'un four ou d'une autre installation. A cet effet, des lignes telles que 7, montées en dé- rivation sur la ligne 4, de part et d'autre de l'échangeur 5, alimentent un ballon-tampon 8 de réserve, apte à remédier aux variations de production. Des vannes 9, montées sur les lignes 7, permettent, en jouant sur le débit de ces lignes, de régler la température du combustible qui alimente le ballon 8. Un système de réglage automatique de cette tempéra- ture peut avantageusement être prévu. Le fond du ballon 8 est connecté par une ligne 10 à une pompe 11, reliée par une ligne 12, équipée d'une van- ne 14, à la ligne 13 d'alimentation des brûleurs 6. Les brûleurs 6 peuvent être alimentés par une ligne directe, mais il est préférable de prévoir une boucle de circulation avec un retour en aval de la vanne regula- trice 32 vers le circuit primaire. Le débit de la pompe 11 -9- est défini en fonction du débit nécessaire pour alimenter les brûleurs et des pertes thermiques des lignes 12 et 13. La fraction du résidu non utilisée comme combustible peut être retournée par la ligne 15, munie d'une vanne 27, vers la ligne 4 et le stockage, mais elle sera de préférence recyclée à la tour 1 par la ligne 16, munie d'une vanne 28, de façon à compenser les pertes dues à la boucle de circu- lation du combustible. On notera qu'un fluxant peut être introduit dans la ligne 4 par la ligne 31, afin d'abaisser la viscosité du combustible en vue de son stockage. Du fait de l'excédent de combustible empruntant la ligne 12, les pertes thermiques sur cette ligne peuvent être suffisamment réduites pour que la viscosité de ce combustible à l'alimentation des brûleurs 6 reste compa- tible avec les conditions d'utilisation de ces brûleurs. Un circuit de sécurité est prévu pour alimenter les brûleurs 6 à l'aide d'un combustible stocké dans un ré- servoir 20, lorsque l'alimentation par la ligne 12 est dé- faillante. Ce circuit comprend un réservoir 20 de combus- tible d'appoint,connecté à la ligne 13 d'alimentation des brûleurs 6 par une ligne 17 équipée d'une pompe 18, d'un réchauffeur 19 et d'une vanne 21. Un dispositif 22 contrôle le débit, la température, la pression et/ou la viscosité du flux d'alimentation des brûleurs 6 et commande simultanément la fermeture de la vanne 14 et l'ouverture de la vanne 21 et l'actionnement de la pompe 18, lorsque la valeur mesurée de l'un ou de plusieurs de ces paramètres atteint un seuil prédétermine. Une telle installation permet donc, à l'aide de moyens simples, l'utilisation directe comme combustible de résidus pétroliers à haute viscosité. Il est toutefois nécessaire de prévoir une panne complè- te des moyens d'alimentation de la ligne 12. En effet, celle-ci risquerait alors d'entraîner le refroidissement du combustible, qui, immobilisé, se solidifierait, ce qui aurait alors des conséquences extrêmement graves pour l'installation. - 10 - Afin de remédier à cet inconvénient, il est judicieux non seulement de gainer la conduite 12 par un isolant ther- mique 24, comme on le voit sur la figure 2, mais d'interposer entre cet isolant et la conduite 12 une zone tampon de ré- chauffement 25,dans laquelle sont disposées des résistances électriques chauffantes 26 ou des conduites de vapeur dont les vannes sont susceptibles de s'ouvrir automatiquement pour maintenir la température au-dessus d'un seuil générale- ment compris entre 180 et 220 C. Un capteur de température (non représenté), disposé sur la conduite 12, commande l'ali- mentation des résistances 26, ou des vannes de circulation de vapeur, dès que la température enregistrée descend au-dessous du seuil. - il - REVENDICATIONS 1.- Procédé pour l'utilisation directe sur le lieu de production comme combustible, dans au moins un brûleur (6), d'un résidu pétrolier de viscosité cinématique comprise entre 0,005 et 1 m2/s à 100 C et dont la température néces- saire pour obtenir une viscosité de 15.10-6 m2/s est supé- rieure à 280 C, provenant d'une unité (1) de traitement thermique telle qu'une unité de fractionnement ou de conver- sion d'une charge d'hydrocarbures, procédé dans lequel ledit résidu est prélevé dans ladite unité (1) à une température supérieure à 300 C et est acheminé par une conduite calori- fugée (12) vers ledit brûleur (6), procédé caractérisé en ce que le débit dudit résidu dans ladite conduite (12) en amont du brûleur est supérieur de 10 à 100 % et de préfé- rence de 10 à 30 % au débit d'alimentation dudit brûleur, d'une fraction telle que l'accroissement de viscosité de ce résidu dû aux pertes thermiques entre l'enceinte de produc- tion et ledit brûleur reste compatible avec l'emploi dudit brûleur, et en ce que la partie dudit résidu non utilisée comme combustible est récupérée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du combustible prélevé dans l'unité de traitement thermique est ramenéE à l'aide d'un échangeur de chaleur, à une température de consigne garantissant la stabilité thermique du résidu et comprise entre 280 et 350 C, et en ce que la diminution de température du combus- tible est compensée par un débit de la ligne d'approvision- nement (12) au brûleur, supérieur à celui requis par ledit brûleur. 3.Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le débit du résidu pétrolier dans la conduite en amont du brûleur varie en fonction de la viscosité du résidu dans ladite conduite. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce qu'au moins 10 % de la fraction dudit résidu pétrolier non utilisée comme combustible est recyclée à ladite unité (1). -12 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins 10 % de la fraction dudit résidu pétrolier non utilisée comme combustible est fluxée, puis stockée dans un réservoir de stockage. 6.- Installation pour l'utilisation directe comme com- bustible dans au moins un brûleur (6) d'un résidu pétrolier ayant une viscosité comprise entre 0,005 et 1 m2/s à 100 C et dont la température nécessaire pour obtenir une viscosité de 15.10-6 m2/s est supérieure à 280 C/provenant d'une unité (1) de traitement thermique telle qu'une unité de fractionnement ou de conversion d'une charge d'hydrocarbures, cette installation comprenant un moyen pour prélever ledit résidu dans ladite unité (1) à une température de consigne supérieure à 300 C, au moins un brûleur (6) pour brûler ledit résidu, une conduite calorifugée (12) réunissant ladite enceinte de production audit brûleur et au moins un moyen (11) pour l'acheminement dudit résidu dans ladite conduite, installation caractérisée en ce que ledit moyen (11) pour l'acheminement dudit résidu est tel que le débit de ce résidu dans ladite conduite est supérieur de 10 à 100 % au débit d'alimentation dudit brûleur,d'une fraction telle que l'ac- croissement de viscosité de ce résidu dû aux pertes ther- miques de ladite conduite entre le lieu de production et le point d'utilisation reste supérieur à 15.10- 6 m2/s,c;'est-à- dire compatible avec son utilisation comme combustible dans ledit brûleur, et en ce que des moyens (14,13) sont prévus pour limiter l'alimentation du brûleur à la fraction dési- rée du débit dans ladite conduite et pour récupérer la fraction excédentaire dudit résidu non utilisée comme combustible. 7.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour recycler à ladite unité (1) une partie de la fraction dudit résidu pétrolier non utilisée comme combustible. 8.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de fluxage et de stockage de la fraction dudit résidu pétrolier non utilisée comme combustible. - 13 - 9.- Installation selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'un ballon-tampon (8) est diposé sur le circuit de ladite conduite (12) entre l'enceinte (1) de production dudit résidu et le ou lesdits brûleurs (6). 10.- Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'extraction de chaleur (5) pour ramener la température du résidu dans le ballon- tampon (8) à une température de consigne supérieure à 300 C. 11.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le débit de la conduite (12) en amont du brûleur est régulé à l'aide d'une sonde mesurant la viscosité mini- male du combustible. 12.- Installation selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit auxiliaire d'alimentation en fuel fluxé compatible du ou desdits brû- leurs (6) à partir d'un réservoir d'appoint (20) et des moyens (22) pour commuter automatiquement l'alimentation du ou des brûleurs (6) audit circuit auxiliaire lorsque le débit, la pression et/ou la température dudit résidu à l'alimentation des brûleurs atteignent un seuil préfixé. 13.- Installation selon l'une des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que ladite conduite calorifugée (12) comporte, outre l'isolant thermique (24) gainant cette conduite, une zone de réchauffement (25) équipée de moyens de chauffage (26) actionnés automatiquement lorsque la température de ladite conduite s'abaisse au- dessous d'un seuil prédéterminé.