Brevet FR2614291A1 — publié le 19881028

La présente invention concerne un procédé d'obtention de CO2 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne. Le CO2 est obtenu normalement comme sous-produit dans l'industrie de l'ammoniac, des essences, dans les fermentations et décompositions de carbonate, bien que sa purification soit habituellement difficile et coûteuse. Dans le processus industriel de fabrication de l'anhydride carbonique liquide, on peut distinguer cinq phases définies: production du gaz brut, purification, compression et liquéfaction, séchage et rectification. Pour la production, on emploie comme matières premières des combustibles liquides, comme le fuel- oil ou solides comme les anthracites de bonne qualité, le coke, le charbon végétal, etc., en veillant toujours à obtenir une bonne combustion avec excès d'oxygène atmosphérique pour faciliter l'oxydation complète du carbone: C + 02 ----- > CO2 + chaleur La purification des gaz provenant de la combustion implique de devoir effectuer différents traitements essentiels pour l'enrichissement du C02 jusqu'à une concentration de 99,90% en volume. On peut diviser ces traitements en: lavage, absorption, désorption et élimination de substances réductrices. Le lavage s'effectue à l'aide d'un arrosage à l'eau fraîche qui élimine les solides (suie, cendres entrainées, etc.) et refroidit en même temps les gaz de combustion, éliminant aussi l'anhydride sulfureux provenant du soufre contenu dans le combustible employé dans la production. Un deuxième lavage avec une solution diluée de carbonate de sodium réduit le contenu des gaz primaires à l'azote, l'oxygène et CO2À On fait circuler les gaz lavés dans des tours remplis d'anneaux de Raschig, à contre- courant d'un arrosage de solutions absorbantes de carbonate de potassium, monoéthanolamine, etc. Le carbonate de potassium se combine avec une molécule de CO2 et une molécule d'eau en se transformant en bicarbonate suivant la réaction réversible suivante: K2C03 + H20 + Co2 2KHCO3 on réalise la désorption ou dégagement de CO2 pur en chauffant au-dessus de 100'C les solutions - saturées en CO2, en utilisant la chaleur produite dans la combustion. On réalise un dernier traitement de purification en faisant passer le CO2 dans des tours dans lesquels recirculent des solutions oxydantes, ce qui élimine les restes d'impuretés organiques que pourrait entrainer le gaz. De cette façon, le CO2 est en état de passer à la troisième phase de compression, dans laquelle on arrive à des pressions de l'ordre de 15,2 à 20,3.102 kPa, ae à a atm deomaà pistons secs et ensuite il est refroidi et liquéfié au moyen de circuits classiques de réfrigération,cp*qs soient à ammoniac, fréon, etc., qui font descendre sa température jus'àdatenir la pression nécessaire à la liquéfaction. Le CO2 liquide ainsi obtenu a été débarrassé auparavant d'une autre impureté: l'eau de saturation qui a été éliminée pour la plus grande partie dans les réfrigérants intermédiaire et final de la compression; finalement un séchage énergique a lieu dans des tours spéciales remplies de substances très déliquescentes qui sont régénérées à nouveau avant d'aller se saturer d'humidité. Finalement, la rectification a pour but d'éliminer la petite quantité de gaz de l'air (azote, oxygène, argon) qui ont pu accompagner le C02 dans tout le processus. Une fois passé cette phase, le CO2 acquiert une pureté supérieure à 99,9% en volume. Les méthodes d'obtention de l'azote peuvent se regrouper en deux classes: séparation à partir de l'atmosphère et décomposition de composés azotés. La méthode de production industrielle consiste - en la distillation fractionnée de l'air liquide. On peut obtenir de l'azote contenant environ 1% d'argon et des traces d'autres gaz inertes, en séparant chimiquement de l'air atmosphérique l'oxygène, l'anhydride carbonique et la vapeur d'eau au moyen de réactifs chimiques appropriés. Pour la préparation de l'azote, on a employé aussi les réactions chimiques suivantes: quand on mélange une solution saturée de nitrite de sodium avec une solution de chlorure d'ammonium chaude, la réaction est: NH+ + N02- > N2 + 2H20 On oxyde l'ammoniac sous forme gazeuse en le faisant passer dans de l'eau de brome et ensuite, on sépare le mélange gazeux résultant en le faisant passer dans différents réactifs qui absorbent le brome qui n'a pas réagi, la vapeur d'eau et l'ammoniac. La réaction est la suivante: 2NH3 + 3Br---> N2+ 6'+ + 6Br Une autre méthode d'obtention consiste à faire réagir le gaz ammoniac avec des oxydes métalliques à chaud, par exemple: 3CuO + 2NH3 -3Cu + 3H20 + N2 Jusqu'à maintenant, on a exposé quelques méthodes utilisées actuellement pour l'obtention de C02 et N2. Dans les moteurs ou turbines à combustion interne, on brûle des hydrocarbures et on produit de l'électricité, de la vapeur et/ou de l'eau chaude et des gaz de combustion. La chaleur produite est généralement utilisée mais les gaz de combustion sont rejetés. Avec le procédé de l'invention, on utilise les gaz de combustion pour l'obtention de CO2 et N2, en utilisant l'énergie produite par ledit procédé d'obtention. Le procédé de l'invention consiste à récupérer dans un premier échangeur ou chaudière la chaleur contenue dans les gaz de combustion, à récupérer la chaleur dégagée par le moteur ou la turbine sous forme de vapeur et/ou d'eau chaude, à envoyer les gaz de combustion, refroidis préalablement dans un deuxième échangeur, dans un gazomètre à pression, à faire circuler les gaz cités dans une colonne de lavage et de refroidissement, à les faire circuler dans des colonnes d'absorption de CO2 o ce gaz est arrêté sous forme de solution carbonatée et le reste des gaz demeure libre, en particulier N2, en réalisant de façon classique d'une part les phases de régénération de la solution carbonatée, de compression et liquéfaction et de séchage du CO2 et, d'autre part, les phases de décarbonatation, désoxygénation, purification, séchage, compression et liquéfaction du N2, en employant, pour mener à bien tout le processus d'obtention du CO2 et du N2, uniquement l'énergie de la vapeur et/ou de l'eau chaude et des propres gaz de combustion, en récupérant ainsi intégralement les gaz cités avec utilisation totale de l'énergie apportée par les hydrocarbures. De préférence, dans le premier échangeur, la température des gaz de combustion descend de 500- 600'C à 150-170C, la pression des gaz dans le gazomètre est de 5 kPa (OeO5r) et la tsratir s gaz dans la colonne de lavage et refroidissement descend de C à 50-60 C. Le rendement du procédé est élevé étant donné que pour 500 NM3 de gaz naturel, on obtient 1 000 Kg de CO2 et 5 000 Kg de N2. D'autre part, le rendement énergétique est de l'ordre de 85%, étant donné que les seules pertes d'énergie sont celles de la chaleur de rayonnement et la récupération des gaz de combustion est supérieure à 85%, étant donné que les seules pertes sont dûes aux purges dans les processus de purification des gaz. De ce qui a été exposé précédemment, il résulte qu'avec le procédé de l'invention, on récupère intégralement le CO2 des gaz de combustion ainsi que le N2, par des processus chimiques et physiques, avec utilisation totale de l'énergie apportée par le combustible. L'invention fournit donc un nouveau procédé d'obtention des gaz cités ainsi qu'une économie considérable d'énergie. Pour une meilleure compréhension de ce qui a été. exposé, sont joints des dessins dans lesquels, schématiquement, et uniquement à titre d'exemple non limitatif, est représenté un cas pratique de réalisation. Dans ces dessins, l'unique figure représente un schéma du circuit pour la réalisation du procédé d'obtention de CO2 et N2 à partir des gaz de combustion d'un moteur ou d'une turbine endothermique, l'hydrocarbure combustible étant du gaz naturel. L'utilisation de ce combustible est particulièrement indiquée du fait des avantages économiques qu'elle offre dans la majorité des pays industriels. Comme on peut le voir sur la figure, dans le moteur 1, on brûle du gaz naturel 2 et on produit de l'électricité 3 en faisant marcher l'alternateur 4. Le moteur 1 produit, en outre, de la vapeur et/ou de l'eau chaude 5 et des gaz de combustion 6. Parmi les gaz de combustion, on trouve C02 et N2, ce dernier provenant de l'air nécessaire à la combustion. Ces gaz se trouvent à une température élevée à la sortie du moteur 1 et leur énergie sera utilisée pour l'obtention du C02 et du N2. La chaleur dégagée par le moteur ou la turbine sous forme de vapeur et/ou d'eau chaude est récupérée à la sortie 5 du moteur 1. La chaleur contenue dans les gaz de combustion est récupérée dans un premier échangeur ou chaudière 7 qui transmet la chaleur à la vapeur d'eau 5. Dans cet échangeur ou chaudière, la température des gaz descend de 500-600 C à 150-170'C. Les gaz de combustion 6 sont refroidis dans un deuxième échangeur 8, après lequel ils sont conduits dans un gazomètre 9 qui est à une pression de 5KPa(0,05br) Dans chacun des échangeurs 7 et 8, on peut voir les purges 10 et 11 respectivement. Ensuite, les gaz sont envoyés dans une colonne de lavage et refroidissement 12 au moyen d'une soufflante 13 et on les fait circuler dans les colonnes d'absorption de C02 14 o ce gaz est arrêté sous forme de solution carbonatée. Les colonnes 14 sont remplies d'un matériau céramique et les gaz passent à contre-courant avec des solutions de bases alcalines (monoéthanolamine, carbonate de potassium, etc.). Le C02 est arrêté, et le reste des -gaz, essentiellement de l'azote, passe par la sortie 15. La solution carbonatée est régénérée au moyen de vapeur ou d'un fluide intermédiaire à 125-130'C, avec dégagement de CO2. La solution, poussée par la pompe 16, passe, par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 17 et du raztificatEx 18, dans la colonne d'absorption 14 pour répéter le cycle indéfiniment. La vapeur arrive au bouilleur 19 en provenance des échangeurs 7, 8 et du moteur 1, poussée par sa propre pression. La pompe 20 pousse la solution dub.ouilleur 19 à l'échangeur 17 et de celui-ci aurezifioetar 18. Le C02 sort par la sortie 21. C'est de cette façon que se produit la séparation entre les deux gaz à obtenir. Le CO2 obtenu par régénération de la solution alcaline se refroidit de 100 C à 40'C dans le refroidisseur 22, il est purifié dans l'épurateur 23, il est filtré dans le filtre 24 et il est comprimé dans le compresseur 25 à une pression minimale de 12102'kPa (1br).P/rnt il est encore refroidi dans le réfrigérant 26 et il est séché dans le déshydrateur 27 jusqu'à une teneur en humidité de 8 à ppm, conditions nécessaires à sa liquéfaction par échange frigorifique à une température de l'ordre de -40'C. Le C02 liquéfié à cette pression minimale est stocké dans des réservoirs adéquats en vue de sa distribution sur le marché. La consommation énergétique de ce procédé de récupération ou de production de C02 liquide est de 400 KW par tonne de C02 produit et la quantité de combustible nécessaire dans le moteur à gaz ou la turbine est de 500 Nm3 de gaz naturel, qui à son tour produit 2 000 KWh d'énergie électrique. La vapeur nécessaire dans ce processus est de 4 000 Kg par tonne de CO2 produit, ces 4 000 Kg étant produits par récupération de la chaleur des gaz de combustion et refroidissement de la machine. Par conséquent; on obtient un excédent de 1 600 KWh qui seront utilisés dans la phase suivante du processus. Une fois séparé le CO2, le courant de gaz 15 ayant une teneur en azote supérieure à 99% passe aux étapes suivantes de décarbonatation 28, désoxygénation 29, purification finale 30, séchage 31 et compression 32 en vue de sa distribution par canalisation dans les usines de la région pour être employé comme gaz inerte. Pour 500 Nm3 de gaz naturel qui sont produits, à part les 1 000 Kg de C02 déjà récupérés, on a approximativement 5 000 Kg d'azote, 60% pour sa distribution comme gaz inerte et 40% pour sa liquéfaction et sa distribution ultérieure pour des usages frigorifiques. L'énergie nécessaire pour ce processus de compression et liquéfaction de l'azote correspond aux 500 KWh excédentaires du processus de récupération de CO2. De ce qui a été décrit précédemment, il résulte qu'avec le procédé de l'invention, on vise à utiliser au maximum l'énergie du combustible, avec un rendement de l'ordre de 85%, et en même temps on récupère les gaz de combustion, également avec un rendement supérieur à 85%, avec comme seules pertes celle de la chaleur de radiation et de l'extraction de petites quantités de gaz résiduels, résultat des purges qui ont lieu dans les processus de purification du gaz, qui en aucun cas ne sont supérieures à 15% du courant principal. Il faut souligner que l'on récupère intégralement le C02 des gaz de combustion ainsi que l'azote, par des processus chimiques et physiques, avec utilisation totale de l'énergie apportée par le combustible. Le procédé concerne l'obtention conjointe de C02 et N2 mais il est entendu qu'il pourrait aussi' se borner à l'obtention d'un seul des deux gaz C02 ou N2. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention de C02 et N2 & partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine & combustion interne, moteur ou turbine dans lequel on brûle des hydrocarbures et on produit de l'électricité, de la vapeur et/ou de l'eau chaude et des gaz de combustion," procédé qui consiste & récupérer dans un premier échangeur 7cu chaudière la chaleur contenue dans les gaz de combustion, à récupérer la chaleur dégagée par le moteur ou la turbine sous forme de vapeur et/ou d'eau chaude, à envoyer les gaz de combustion, refroidis préalablement dans un deuxième échangeur 8,dans un gazomètre à pression9,à faire circuler les gaz cités dans une colonne) 2i lavage et de refroidissement, à les faire circuler dans des colonnesl4 d'absorption de C02 o ce gaz est arrêté sous forme de solution carbonatée et.le reste des gaz demeure libre, en particulier N2, en réalisant de façon classique d'une part les phases de régénération de la solution carbonatée, de compression et liquéfaction et de séchage du C02 et, d'autre part, les phases de décarbonatation, désoxygénation, purification, séchage, compression et liquéfaction du N2, en employant, pour mener à bien tout le processus d'obtention du C02 et du N2, uniquement l'énergie de la vapeur et/ou de l'eau chaude et des propres gaz de combustion, en récupérant ainsi intégralement les gaz cités avec utilisation totale de l'énergie apportée par les hydrocarbures. 2. Procédé pour l'obtention de C02 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon la' revendication 1, il caractérisé en ce que l'hydrocarbure utilisé comme combustible est de préférence du gaz naturel. 3. Procédé d'obtention de C02 et N2 & partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que,dans le premier échangeur la température des gaz de combustion baisse de 500- 600'C à 150-170'C. 4. Procédé d'obtention de C02 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression des gaz dans le - gazomètre est de 5 kPa. 5. Procédé d'obtention de C02 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température des gaz dans la colonne vdelavage et refroidissement baisse de 150C à 50-60'C. 6. Procédé d'obtention de CO2 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon les revendications 1 cu 2, caractérisé en ce que pour 500 Nm3 de gaz naturel, on obtient 1 000 Kg de C02 et 5 000 Kg de N2. 7. Procédé d'obtention de C02 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rendement énergétique est de. l'ordre de 85%, étant donné que les seullespertes d'énergie sont celles de la chaleur de rayonnement. 8. Procédé d'obtention de C02 et N2 à partir des gaz produits dans un moteur ou une turbine à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé *en ce que la récupération des gaz de combustion est supérieure à 85%, étant donné que les 12 '26'i4291 seules pertes sont dûes aux purges dans les processus de purification des gaz.