Brevet FR2816935A1 — publié le 20020524

L'invention est relative au domaine technique général de la purification du dioxyde de carbone résiduel, en vue de ses nombreuses applications commerciales sous forme gazeuse ou liquide. Dans de nombreux domaines, on utilise le dioxyde de carbone pour ses caractéristiques chimiques ou encore, et plus généralement peut-être, pour ses caractéristiques de production de frigories à partir d'un état liquide qui lui est préalablement conféré. Les applications du dioxyde de carbone sont suffisamment nombreuses et connues pour ne pas devoir en faire une citation, même à caractère non exhaustif Une des caractéristiques du dioxyde de carbone réside dans le fait qu'il doit être transporté vers les sites de consommation ou d'utilisation sous sa forme liquide et qu'un tel transport s'effectue par citernes routières ou ferroviaires. En raison des coûts de transport considérables qui s'attachent à un tel mode d'acheminement, les fournisseurs de dioxyde de carbone ne peuvent faire autrement 1 5 que de rechercher des sites de production qui soient implantés dans un rayon maximal déterminé d'acheminement pour une concentration donnée d'utilisateurs. En effet, au- delà de ce facteur de proximité relative, le coût de transport constitue un handicap pouvant devenir rédhibitoire pour tout acte de commercialisation à partir d'un site de production trop éloigné. C'est la raison pour laquelle les producteurs de dioxyde de carbone, notamment liquide, disposent de sites de production qui sont géographiquement répartis. Il peut être considéré que les sites fournisseurs de dioxyde de carbone sont limités et peuvent se comptabiliser généralement au nombre de trois types de sources de production qui mettent à disposition des concentrations du dioxyde de carbone produit allant, pour la plus basse, de 2 % à 15 %, pour la moyenne, de 15 % à 30% et, pour la plus haute, de 90 % à 99 %. Il est clair que la meilleure rentabilité d'exploitation est obtenue à partir de sources à concentration élevée qui, généralement, proviennent de l'activité industrielle, telle que la fabrication d'hydrogène ou d'oxyde d'éthylène. L'évolution industrielle amène à la constatation d'une réduction progressive de ces sources de production pour des raisons qui tiennent généralement aux concentrations industrielles de production ou encore à l'abandon de certains sites producteurs en raison des évolutions des processus de fabrication. Face à une telle réduction des sources disponibles, il apparaît donc particulièrement préoccupant de pouvoir trouver des sources de remplacement, de façon à toujours faire face à la demande de CO2, notamment liquide, laquelle a tendance à croître continûment. En l'état actuel de la technique, la purification/liquéfaction du CO2 nécessite une concentration minimale de 90 % pour être réalisée dans des conditions technico- économiques acceptables. Pour utiliser une source de première ou même deuxième catégorie, il est donc nécessaire de réaliser une préconcentration en CO2. Les procédés connus actuellement font intervenir des phases de compression/perméation sélectives à travers des membranes ou des phases d'absorption/désorption dans des solvants appropriés ou bien encore d'absorption/désorption sur supports solides ou des combinaisons de ces principes. Dans la presque totalité des cas, ces procédés exigent des dépenses d'investissement et de fonctionnement trop élevées pour être rentables. Le besoin se fait donc sentir de pouvoir disposer d'une technique adaptée à un enrichissement en dioxyde de carbone des effluents des sources de production relevant de la seconde catégorie, de manière à pouvoir satisfaire les besoins des consommateurs tout en gardant comme impératif le respect d'un facteur d'éloignement entre le site de production et le site d'utilisation qui fasse intervenir un coût de transport acceptable. C'est justement un objet de l'invention que de proposer une nouvelle technique d'obtention d'un flux gazeux enrichi en CO2, en prévoyant de mettre en oeuvre des moyens techniques adaptables sur les installations de production de composés calciques, tels notamment que ceux de production de chaux, qui offrent la caractéristique et l'avantage d'être généralement répartis de façon homogène sur tous les territoires et de pouvoir ainsi constituer des sites de production vis-à-vis desquels les coûts de transport du dioxyde de carbone, notamment liquide, restent acceptables pour les utilisateurs. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le procédé d'obtention d'un flux gazeux enrichi en C02 à partir d'une installation de production de composés calciques selon l'invention est caractérisé: en ce qu'on produit, en régime stabilisé, des gaz de combustion au moyen d'un brûleur alimenté avec un combustible et avec un comburant dont l'essentiel de l'azote a été éliminé, en ce qu'on recycle dans le four, après dépoussiérage et réchauffage préalable, une partie des fumées de calcination en tant que charge gazeuse de circulation contribuant à constituer le mélange gazeux par incorporation aux gaz de combustion et destinée à maintenir les paramètres de combustion et d'écoulement des gaz, pour faire croître la concentration en C02, * puis, enfin, en ce qu'on extrait le flux gazeux ainsi enrichi en C02 pour le diriger vers une installation de purification-liquéfaction. L'invention a encore pour objet une installation pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Enfin, l'invention vise, également, l'application particulière du procédé à une installation de production de chaux ou, encore, de production de carbonate de calcium précipité, lequel représente un produit élémentaire largement répandu en utilisation dans le domaine de la papeterie. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence au dessin annexé qui montre, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention La figure unique illustre, schématiquement, une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Cette figure unique représente une installation de production de produits calciques et, plus particulièrement, de chaux à partir de matériaux pulvérulents et/ou granuleux, calcaires. Il doit être considéré, au sens de l'invention, qu'une telle installation peut aussi être réservée à la production d'autres produits calciques, tels que le carbonate de calcium qui est généralement utilisé à grande échelle en tant que charge pour la confection de papier et/ou carton Une installation de produits calciques comprend un four 1, de préférence mais non exclusivement du type rotatif, dont l'axe x-x' est légèrement incliné sur l'horizontale. Un tel four est associé à des moyens de support et à des moyens d'entraînement en rotation, qui ne sont pas illustrés au dessin en raison de la bonne connaissance que l'homme du métier en a. Le four 1 peut être considéré comme délimitant une enceinte définissant, à partir d'une entrée 2, une zone d'entrée 3, dite de préchauffage, une zone de calcination 4 et une zone 5, dite de refroidissement, qui est en relation avec une sortie 6 des produits calciques obtenus. La succession des zones 3 à 5 doit être comprise comme établie en relation avec la section d'entrée 2 qui occupe la partie la plus haute du four I lorsque celui-ci possède un axe x-x' incliné sur l'horizontale. La section d'entrée 2 est en relation avec des moyens d'acheminement de produits ou matériaux calcaires, à caractère pulvérulent et/ou granuleux, qui sont, par exemple, déversés en continu par l'intermédiaire d'une trémie 7. 1l va de soi que les moyens techniques, attachés à une telle structure d'alimentation, doivent aussi être considérés comme connus de l'homme du métier, tant pour ce qui concerne leur structure que pour les moyens de fonctionnement qui s'y attachent et, notamment, le contrôle pondéral devant être respecté. Les produits calcaires engagés dans l'entrée 2 sont ainsi acheminés par les moyens habituels, dans le sens de la flèche fi, pour transiter, en particulier, au sein de la zone de calcination 4 avant d'être pris en charge par la zone de refroidissement 5 au droit de laquelle les produits calciques obtenus sont pris en charge, notamment par un transporteur 8. Dans une installation du type ci-dessus, il est classiquement mis en ceuvre des moyens pour produire, à l'intérieur du four 1, un mélange gazeux à température élevée circulant à contre-courant, soit dans le sens de la flèche f2, depuis la sortie 6 ou au voisinage de cette dernière, en direction de la zone de calcination 4, puis vers la zone d'entrée 3 audelà de laquelle les produits gazeux, résultant du mélange à température élevée et des fumées de calcination, sont prélevés par une cheminée 9 pour être dirigés vers une installation 10 de traitement et d'évacuation. De façon classique, l'installation 10 est conçue pour assurer un dépoussiérage, voire un lavage, ainsi qu'un refroidissement des fumées dans lesquelles une concentration en CO2 est présente en étant comprise, généralement, entre 15 % et 30 % pour une installation de production de chaux. Le mélange gazeux à température élevée est produit par un brûleur 11, notamment du type à gaz, qui est connecté à une ligne d'alimentation en comburant constituée, de façon classique dans la technique antérieure, par de l'air. Le mélange gazeux à température élevée qui est ainsi produit inclut, outre les gaz de transformation et les fumées de calcination, une charge importante d'azote, gaz neutre entrant dans la composition initiale de l'air et qui est continûment évacuée par l'intermédiaire de la cheminée 9. Cette charge de produits gazeux à caractère initialement neutre est responsable de la concentration relativement faible, mais néanmoins exploitable, des fumées produites et chargées en dioxyde de carbone. Pour enrichir en dioxyde de carbone le flux gazeux évacué par la cheminée 9, le procédé selon l'invention consiste à mettre en oeuvre un brûleur 1 1 dont la tuyère de sortie 12 est disposée dans le four 1, à proximité du début ou de l'entrée de la zone de calcination 4, en considérant le sens de circulation du mélange gazeux selon la flèche f2. Le brûleur 11 est conçu de manière à être relié à une ligne d'alimentation 13, capable de lui fournir un comburant exempt de gaz neutre et, par exemple, de l'oxygène pur ou quasi pur issu d'une station 14 qui peut être de production instantanée ou de stockage sous toute forme appropriée et rechargeable. En régime de fonctionnement stabilisé, le brûleur 11, qui est alimenté en combustible, de préférence gazeux, par une ligne 15, fournit, à l'intérieur du four 1, des gaz de combustion à température élevée qui sont responsables de la calcination des produits calcaires circulant dans le sens de la flèche fi. Pour compenser l'absence de la charge de gaz neutre, entrant normalement dans la composition de l'air utilisé à titre de comburant, il est prévu, selon l'invention, d'admettre et de recycler une charge gazeuse à base de dioxyde de carbone pour établir, par incorporation aux gaz de combustion, la charge gazeuse circulante et responsable de l'établissement de conditions de fonctionnement stabilisées pour l'installation. Au sens de l'invention, la charge de dioxyde de carbone recyclée peut provenir de l'ouverture d'un robinet 16a équipant un réservoir de stockage 16 qui est branché, par une ligne 17, à la ligne d'alimentation 13. Lors d'une mise en service, le circuit de circulation des gaz et des fumées reçoit une charge de dioxyde de carbone, de telle manière que le mélange gazeux s'établisse par incorporation avec les gaz de combustion du brûleur. De la sorte, les fumées de calcination, qui sont responsables de la production de dioxyde de carbone, sont exemptes de toute dilution au sein d'une charge de gaz neutre et il s'ensuit que le flux gazeux issu de la tour 10 se trouve enrichi en dioxyde de carbone par rapport à celui produit par une installation de production de produits calciques de conception conventionnelle. Selon l'invention, une canalisation 18 relie la tour 10 à une canalisation de recyclage 19 pourvue d'une vanne 20 qui se trouve raccordée à la ligne 13. Dans l'exemple, la ligne 17 est branchée sur la canalisation 19. Dans une mise en pratique des moyens ci-dessus, il est prévu de relier la ligne 13 à la source de production 14 d'oxygène pur ou quasi pur, par l'intermédiaire d'une ligne d'alimentation 21 aboutissant à un mélangeur 22 en amont duquel se raccorde la canalisation 19. Après une mise en service comme dit ci-dessus, le robinet 16a est fermé, de manière à isoler le réservoir d'apport et d'appoint 17 du circuit de circulation des produits gazeux résultant du fonctionnement de l'installation, lequel circuit est constitué par la ligne 13, la tuyère 12, le four 1, la cheminée 9, la station ou tour 10 et les canalisations 18 et 19. Dans un développement, au sens de l'invention, il est prévu de disposer, sur la canalisation 19 un piquage 23 contrôlé par un robinet ou une vanne 24 et communiquant avec une station d'admission d'air 25. Selon cette disposition, la mise en service de l'installation s'effectue initialement en assurant l'alimentation du brûleur 11 avec un combustible constitué par l'air ambiant et qui circule par la canalisation 19 après ouverture de la vanne 24 et fermeture de la vanne 20. Une telle circulation au sein de la canalisation 19 est assurée, de préférence, par un dispositif 26 de mise en pression. L'air, en tant que comburant, emprunte alors la ligne d'alimentation 13 pour assurer le fonctionnement du brûleur 11 qui fournit des gaz de combustion injectés à I'intérieur du four 1. Ensuite, il est alors prévu d'ouvrir, par un robinet 27 la ligne d'alimentation 21 qui fournit au brûleur 11 l'apport supplémentaire d'oxygène pur ou quasi pur. Selon l'invention, il est prévu de mettre en oeuvre des vannes 24 et 27 qui soient à caractère proportionnel et qui sont inversement conjuguées, de manière que l'ouverture progressive de la vanne 27 soit concomitante à une fermeture progressive proportionnelle de la vanne 24 pour, progressivement, modifier les conditions d'alimentation en comburant du brûleur 11, en vue de privilégier l'oxygène pur ou quasi pur en tant que comburant, éliminer l'essentiel de l'azote et faire croître progressivement la concentration en C02 à l'intérieur du flux gazeux produit, qui est, dans la phase de mise en service, entièrement recyclé par la canalisation 19. Cette phase transitoire se poursuit jusqu'à la fermeture de la vanne 24 donnant lieu à l'alimentation du brûleur 11 en oxygène pur ou quasi pur pour disposer alors des conditions de fonctionnement stabilisées décrites précédemment. Tant que les conditions stabilisées, permettant d'atteindre une concentration d'au moins 90 % en CO2 ne sont pas atteintes, une partie au moins du flux gazeux recyclé par la canalisation 19 est dérivée par une vanne 31 vers une sortie 32 de mise à l'air libre. Lorsque la concentration est atteinte, la vanne 31 est manoeuvrée pour fermer la sortie 32 de mise à l'air libre et pour ouvrir la communication par une ligne 33 avec une installation de purification-liquéfaction. Il est avantageux, comme cela est montré aux dessins, de piloter les ouvertures et fermetures des vannes 24 et 27 par l'intermédiaire d'un capteur 30 chargé d'apprécier la variation de concentration en dioxyde de carbone du flux empruntant la cheminée 9. Selon une autre disposition de l'invention, il est prévu de disposer, sur la ligne 13 et par exemple en aval du mélangeur 22, un réchauffeur 35 qui permet de conférer au mélange, oxygène-charge gazeuse recyclée à base de dioxyde de carbone, une température d'admission au brûleur qui soit compatible avec des conditions optimales de fonctionnement de ce dernier. Selon un développement de l'invention, le réchauffeur 35 est constitué par un échangeur de chaleur qui est, par ailleurs, traversé par un flux d'air prélevé du milieu ambiant par l'intermédiaire d'un circulateur 36 et conduit par une canalisation 37 à travers la zone de sortie 5 de manière à refroidir les produits calciques obtenus. Le circuit de refroidissement de la zone 5 inclus un collecteur 38 qui est raccordé par une ligne 39 au réchauffeur 35 au-delà duquel l'air ayant servi de véhicule de refroidissement est évacué au milieu ambiant. Pour éviter toute injection de l'air de refroidissement dans la zone 4 de calcination, la zone 5 est matériellement isolée de la zone 4 par un écran ou une cloison 40 agencée pour être traversée par le transporteur et par les produits calciques que ce dernier supporte. Il va de soi qu'avec les moyens de l'invention, tels que décrits cidessus, il est possible, également, de faire fonctionner l'installation en mode classique lorsque, par exemple, il n'est pas souhaité enrichir en dioxyde de carbone le flux gazeux produit et émis par la cheminée 9. En effet, dans un tel cas et sous réserve de compatibilité fonctionnelle du brûleur 11, il suffit de fermer la vanne 27 et d'ouvrir la vanne 24 pour que le brûleur 11 soit alors uniquement alimenté en comburant à base d'air. Comme dit précédemment, l'objet de l'invention trouve une application préférée aux installations de production d'oxyde de calcium, généralement dénommé four à chaux et qui par leur répartition sur les différents territoires nationaux constituent des sources de production qui peuvent être facilement enrichies en dioxyde de carbone par la mise en oeuvre des moyens de l'invention. Les essais qui ont été effectués permettent de considérer que la suppression de l'air en tant que comburant et son remplacement par de l'oxygène pur ou quasi pur permet, toutes choses égales par ailleurs, d'enrichir la concentration en dioxyde de carbone au-delà de 90 % pour ce qui concerne une installation de production de chaux. Outre les avantages précédemment cités, il convient de noter que l'utilisation de C02 recyclé dans le four permet d'acquérir un degré de liberté supplémentaire dans la conduite du four, ce qui doit permettre d'augmenter la capacité de production et/ou de diminuer la consommation spécifique de combustible et, plus généralement, d'améliorer la maîtrise des paramètres d'exploitation du four. Une autre application de l'objet de l'invention est la transformation d'une installation de production de carbonate de calcium précipité au sein de laquelle, ou en amont de laquelle, une installation de transformation de produits calciques est nécessairement mise en place. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'obtention d'un flux gazeux enrichi en CO2 à partir d'une installation de production de composés calciques, du type comprenant un four rotatif possédant une entrée et une sortie et dans lequel circulent, à contre-courant, d'une part, des matières pulvérulentes et/ou granuleuses, calcaires, admises par l'entrée et devant subir une phase de calcination à la fin de laquelle les composés produits sont extraits par la sortie du four et, d'autre part, un mélange gazeux à température élevée admis par la sortie du four pour provoquer la calcination progressive des matières, laquelle produit des fumées incluant du CO2 et qui sont extraites par l'entrée du four, caractérisé: en ce qu'on produit, en régime stabilisé, des gaz de combustion au moyen d'un brûleur alimenté avec un combustible et avec un comburant dont l'essentiel de l'azote a été éliminé, * en ce qu'on recycle dans le four, après dépoussiérage et réchauffage préalable, une partie des fumées de calcination en tant que charge gazeuse de circulation contribuant à constituer le mélange gazeux par incorporation aux gaz de combustion et destinée à maintenir les paramètres de combustion et d'écoulement des gaz, pour faire croître la concentration en C02, * puis, enfin, en ce qu'on extrait le flux gazeux ainsi enrichi en C02 pour le diriger vers une installation de purification-liquéfaction. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la mise en service de l'installation, on injecte dans le circuit de recyclage une quantité de C02 équivalente à la charge de recyclage. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la mise en service de l'installation, on produit le mélange gazeux à partir de gaz de combustion du brûleur alimenté en combustible et en air, puis on recycle progressivement des fumées de calcination pour enrichir la charge de recyclage en C02, en même temps qu'on réduit l'admission d'air au bénéfice d'un mélange comburant enrichi en oxygène, jusqu'à substituer l'oxygène pur ou quasi pur à l'air. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on produit le mélange gazeux de manière à l'injecter dans le four, en amont de la zone de refroidissement précédant la sortie des composés calciques produits et en ce qu'on assure ledit refroidissement au moyen d'air sous pression empêché de pénétrer dans la zone de calcination du four. - Procédé selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'on dérive à l'air libre au moins une partie des fumées de calcination jusqu'à atteindre la concentration souhaitée en CO2, puis en ce qu'on ferme la dérivation à l'air libre et ouvre ensuite la communication avec une ligne de purificationliquéfaction du CO2. 6 - Application du procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, à une installation de production de chaux. 7 - Application du procédé selon l'une quelconques des revendications 1 à 5, à une installation de production de carbonate de calcium précipité. 8 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications I à 5, du type comprenant: * un four (1) possédant une zone d'entrée, dite de préchauffage (3), une zone de calcination (4) et une zone de sortie, dite de refroidissement (5), et à travers lequel circulent à contre-courant, d'une part, des matières calcaires admises par la zone d'entrée pour subir une calcination conduisant à la production en zone de sortie de composés calciques et, d'autre part, un mélange gazeux à température élevé admis par la sortie pour provoquer la calcination des matières calcaires, laquelle produit des fumées incluant du CO2 qui sont dirigées, à partir de la zone d'entrée, vers une station de traitement et d'évacuation (10), ò un brûleur (11) chargé de produire le mélange gazeux à température élevée, 25. et un circuit (37, 35) de refroidissement des composés calciques, caractérisée en ce qu'elle comprend: * des moyens pour produire, dans la zone de calcination du four, un mélange gazeux à température élevée constitué par les gaz de combustion produits par le brûleur et dont l'essentiel de l'azote du comburant est éliminé par une charge recyclable essentiellement à base de C02, et des moyens pour diriger le mélange gazeux recyclé et enrichi en C02 vers une installation de purification-liquéfaction. 9- Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le brûleur est raccordé à une alimentation (15) en combustible et à une alimentation (13) en comburant à base d'oxygène pur ou quasi pur. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'alimentation en comburant du brûleur comprend une ligne (21) d'admission d'oxygène pur ou quasi pur et une ligne d'admission d'air (19, 23) lesquelles sont contrôlées par des moyens (24, 27) d'ouverture- fermeture proportionnelles, inversement conjuguées, pilotés par au moins un capteur (30) de la concentration en C02 dans les fumées issues du four. Il - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de recyclage de la charge gazeuse, de tels moyens comportant une réserve (16) de C02 à même de délivrer, lors d'une mise en service, une quantité de C02 équivalente à la charge recyclée. 12 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que les moyens de recyclage comprennent une canalisation (19) de prélèvement, obturable, piquée sur la sortie de la station (10) de traitement et d'évacuation des fumée et incluant des moyens (26) de circulation forcée en direction d'un mélangeur (22) placé sur la ligne (21) d'admission en oxygène pur ou quasi pur. 13 - Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que la réserve de C02 (16) est raccordée, avec interposition d'un robinet (16a), à la canalisation de prélèvement (19) et en amont du mélangeur (22). 14 - Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que le mélangeur (22) est placé en amont d'un réchauffeur (35) situé en amont du brûleur (11). 15 - Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que le réchauffeur (35) fait partie du circuit (37, 35) de refroidissement des composés calciques. 16 - Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que le circuit de refroidissement des composés calciques comprend une arrivée d'air et des moyens (36 et 40) pour, d'une part, injecter cet air à travers la zone de sortie du four et, d'autre part, empêcher que cet air réinjecté ne pénètre dans la zone de calcination dudit four. 17 - Installation selon la revendication 8 ou 10, caractérisé en ce que la ligne (19) est pourvue, en amont du mélangeur (22), d'une vanne (31) permettant d'ouvrir une mise a l'air libre (32) ou une ligne (33) de communication avec une installation de purification-liquéfaction.