Brevet FR2872566A1 — publié le 20060106

La présente invention concerne un procédé de production d'énergie à partir de combustible fossile avec capture du dioxyde de carbone en vue de le séquestrer. La combustion des ressources fossiles de pétrole, de gaz naturel, ou de charbon, produit en contrepartie du dioxyde de carbone, qui s'accumule ensuite dans l'atmosphère. Or le dioxyde de carbone est le principal des gaz dits à effet de serre . Il empêche le rayonnement infrarouge solaire de repartir vers l'espace, contribuant ainsi à réchauffer la surface de la terre dans des proportions qui pourraient s'avérer bien plus importantes que tout ce qui a été observé jusqu'à présent au cours des temps géologiques. Comme il ne semble pas possible dans un avenir prévisible de se passer des combustibles fossiles pour l'approvisionnement des économies, un grand nombre d'actions sont envisagées ou engagées pour essayer de diminuer les quantités de CO2 libérées dans l'atmosphère ou d'en diminuer les effets. La présente invention a pour but de proposer un procédé de combustion permettant de capturer le CO, en vue de le séquestrer dans des couches géologiques adéquates (anciens gisements pétroliers ou gaziers, aquifères salins étanches, mines de charbon...). Le document US 6,202,574 propose de réaliser une oxy-combustion du combustible dans une atmosphère de CO, et de 02, puis de récupérer le CO, libéré par la combustion pour le liquéfier. La présente invention propose un procédé de combustion qui permet notamment de réaliser la liquéfaction du dioxyde de carbone à température ambiante. De manière générale, la présente invention concerne un procédé de combustion avec capture du dioxyde de carbone, dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes: a) on mélange un flux riche en oxygène avec un flux riche en dioxyde de carbone, b) on introduit le mélange et un combustible dans une chambre de combustion, c) on maintient la pression interne de la chambre de combustion à une valeur supérieure à la pression atmosphérique, d) on traite les fumées de combustion par refroidissement pour condenser l'eau et des composés soufrés, et e) on liquéfie au moins une partie des fumées traitées obtenues à l'étape d), par compression et refroidissement. Selon l'invention, une partie des fumées traitées obtenues à l'étape d) peut être utilisée pour être mélangée avec le flux riche en oxygène à l'étape a). Selon l'invention, la pression interne de la chambre de combustion peut être comprise entre 0,1 et 100 millibars relatifs. Pour maintenir la chambre sous pression, le mélange et le combustible peuvent être introduits dans la chambre de combustion à une pression comprise entre 0,1 et 100 millibars relatifs. On peut également introduire, à une pression relative comprise entre 0,1 et 100 millibars, un flux riche en dioxyde de carbone gazeux dans la chambre de combustion. Selon l'invention, à l'étape e), la liquéfaction des fumées traitées peut 25 être réalisée par au moins une compression des fumées à une pression comprise entre 50 et 70 bars et par refroidissement des fumées comprimées à une température comprise entre 0 C et 30 C. A l'étape b), on peut ajuster les débits du combustible et du mélange introduit dans la chambre de manière à produire des fumées de combustion contenant un excès d'oxygène inférieur à 3 % en volume. A l'étape a), on peut ajuster la teneur en oxygène du mélange à une valeur comprise entre 30 % et 40 % en volume. Selon l'invention, au démarrage du procédé, on peut purger la chambre de combustion en réalisant une combustion avec un combustible et un mélange comportant de l'oxygène et du dioxyde de carbone provenant d'un réservoir de stockage de dioxyde de carbone liquide, les fumées de combustion étant rejetée à l'atmosphère. Le liquide obtenu à l'étape e) peut être injecté et séquestré dans un réservoir souterrain. Le procédé selon l'invention permet de produire du CO2 pur à plus de 15 98,5 % qui, par conséquent peut être liquéfié à température ambiante par compression et simple refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après 20 en se référant aux dessins parmi lesquels: - la figure 1 schématise une installation de combustion, - la figure 2 représente le diagramme d'équilibre d'un CO2 pur à 98,5 %. L'installation de combustion représentée par la figure 1 peut être mise en oeuvre dans différentes industries. Par exemple l'installation de combustion est une installation de production de vapeur et d'électricité, un four de raffinerie ou de pétrochimie. L'installation peut, par exemple, être un four de vaporéformage ce qui permet d'avoir un procédé de production d'hydrogène avec capture et stockage du CO,. Selon l'invention, les conditions de fonctionnement de l'installation de combustion, représentée sur la figure 1, sont choisies de sorte que les fumées produites lors de la combustion dans la chambre CC contiennent au moins 98,5 % en volume de CO,. Sur la figure 1, de l'air est introduit par le conduit 1 dans l'unité O de production d'oxygène. L'azote est évacué de l'unité O par le conduit 2 et peut être rejeté à l'atmosphère à une température proche de la température ambiante. Il peut être réalisé une intégration thermique de l'unité O avec l'unité LI de liquéfaction du CO,: les frigories récupérées sur le circuit de rejet de l'azote peuvent être utilisées lors de la liquéfaction du CO,. L'unité O produit de l'oxygène pur à au moins 95 % en volume, de préférence à plus de 99 % en volume, afin d'éviter ou de limiter la présence de composés inertes (notamment de l'azote) dans les fumées de combustion. L'oxygène produit par l'unité O est envoyé par le conduit 3 dans le mélangeur gaz/gaz M pour être mélangé avec le CO, arrivant par le conduit 4. Ainsi, le mélangeur M permet de reconstituer un comburant équivalent à l'air par dilution de l'oxygène provenant de l'unité O. Le mélange d'oxygène et de CO, est évacué du mélangeur M par le conduit 5. L'analyseur A d'oxygène permet de mesurer la teneur en oxygène du mélange circulant dans le conduit 5. Cette mesure est transmise au dispositif FC qui agit sur l'ouverture de la vanne V1 afin de modifier le débit d'oxygène entrant dans le mélangeur M et donc permet d'ajuster la teneur en oxygène du mélange circulant dans le conduit 5. La teneur en oxygène peut être ajustée par rapport à une consigne qui dépend notamment du débit et de la nature du combustible qui arrive par le conduit 8. De préférence, la teneur en oxygène du comburant circulant dans le conduit 5 est comprise entre 30 % et 40 % en volume. Alternativement, l'unité O de production d'oxygène et le mélangeur M peuvent être regroupés en un organe unique. Cet organe peut être un séparateur membranaire dans lequel l'oxygène est séparé de l'air à travers une membrane. L'air circule d'un côté de la membrane, l'autre côté vers lequel migre l'oxygène étant en contact avec du CO2 gazeux en circulation. L'oxygène se trouve alors directement incorporé dans le CO2 qui sert de gaz de balayage. La chambre de combustion CC est alimentée en comburant par le conduit 6 et en combustible par le conduit 8. Le combustible est un combustible d'origine fossile. Par exemple, on 10 peut utiliser du gaz naturel, du fioul liquide, du charbon, du coke de pétrole, ou un mélange de ces combustibles fossiles. Les débits de combustible et de comburant circulant dans les conduits 6 et 8 sont contrôlés et ajustés pour réaliser une combustion avec très peu d'oxygène en excès. Par exemple, l'excès d'oxygène est inférieur à 3 % en volume dans les fumées circulant dans le conduit 9. En fonctionnement normal de l'installation de combustion, la vanne V2 est fermée et le comburant arrivant par le conduit 6 est le mélange d'oxygène et de CO2 produit par le mélangeur M. Lorsqu'on ouvre la vanne V2, on alimente la chambre de combustion CC en air arrivant par le conduit 7 ce qui permet de revenir à une combustion sous air en cas de problème sur l'unité O de production d'oxygène ou l'unité de liquéfaction du CO2. L'intérieur de la chambre de combustion CC est maintenue sous une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. Cette mise en pression de la chambre de combustion CC permet d'éviter ou de limiter l'entrée d'air. Ainsi, on limite la présence de composés inertes (par exemple l'azote) dans les fumées de combustion. Par exemple, la chambre de combustion CC est maintenue sous une pression relative comprise entre 0,1 et 100 millibars. Cette surpression peut être réalisée en introduisant le comburant et le combustible sous pression dans la chambre CC, sous une pression relative comprise entre 0,1 et 100 millibars. De plus, il est possible de pressuriser la chambre de combustion CC en utilisant du CO, sous pression introduit par le conduit 18. Par exemple, le CO2 est introduit à une pression relative comprise entre 0,1 et 100 millibars. La pressurisation présente l'avantage d'éviter ou de limiter l'entrée d'air parasite et, donc, de composés inertes (en particulier l'azote) dans la chambre de combustion CC. La pressurisation se traduit par une légère fuite au travers des parois de la chambre de combustion, d'un gaz contenant essentiellement du CO, qui est rejeté à l'atmosphère. La fuite est représentée par le conduit 19. Le CO, utilisé pour la pressurisation peut provenir des réservoirs de stockage SG ou SL, ou d'une autre source de CO,. La chambre de combustion CC est constituée d'une enveloppe métallique, couramment appelée casing , cette enveloppe étant doublée de matériau réfractaire à la chaleur. De plus, la chambre de combustion comporte un ou plusieurs brûleurs, ainsi que des tubes dans lesquels circule le fluide à chauffer. Ce fluide peut être de l'eau de chaudière qui se transforme en vapeur (cas d'un générateur de vapeur et/ou d'électricité), un mélange d'hydrocarbures dans le cas d'un four de raffinerie, un mélange d'hydrocarbures et de vapeur d'eau dans le cas d'un four de vaporéformage. Les fumées produites par la combustion réalisée dans la chambre CC peuvent subir, dans l'unité T, des traitements de dépoussiérage et d'enlèvement des oxydes d'azote et/ou de soufre. Pour le dépoussiérage, on utilise de préférence des filtres électrostatiques. Certains traitements peuvent être réalisés dans la chambre de combustion CC. Par exemple, dans le cas d'utilisation de combustible à forte teneur en soufre, l'injection de calcaire dans la chambre CC permet une première réduction de la teneur en oxyde de soufre qui est en général suivie d'une seconde étape de désulfuration sur les fumées sortant de la chambre de combustion. Puis, les fumées sont évacuées par le conduit 9 et l'extracteur El. Ensuite, le chemin suivi par les fumées est déterminé par les vannes ou registres V5 et V6, c'est à dire par des moyens permettant de contrôler le débit des fumées dans les conduits. Lorsque le registre V6 est fermé et le registre V5 est ouvert, les fumées sont libérées dans l'atmosphère par la cheminée C. Lorsque le registre V6 est ouvert et le registre V5 est fermé, les fumées sont introduites dans l'unité CT de condensation. L'unité CT refroidit les fumées. L'eau condensée entraîne également les composés soufrés et les poussières qui n'auraient pas été éliminés dans l'unité de traitement T. Le condensat d'eau et de composés soufrés est évacué par le conduit 10 vers une unité de traitement de l'eau et des composés soufrés. Les fumées désulfurées et débarrassées de l'eau condensée, comportent au moins 98,5 % de CO,. Ces fumées sont stockées dans le ballon SG. Une partie du CO, contenu dans le réservoir SG est soutirée par le conduit 11 et l'extracteur E2, puis est recyclée par le conduit 4 dans le mélangeur M ce qui permet de reconstituer un comburant. Une partie du CO, circulant dans le conduit 4 peut être prélevée pour être injectée dans la chambre de combustion CC par le conduit 18. Une autre partie du CO, contenue dans le ballon SG est introduite par le conduit 12 dans l'unité de liquéfaction LI. En fonctionnement stabilisé, le débit de CO, ainsi liquéfié correspond au débit de CO, produit par la combustion. La liquéfaction est réalisée par une succession d'étapes de compression et de refroidissement. Les conditions thermodynamiques imposées au CO2 lors de la liquéfaction sont représentées par la figure 2 qui représente le diagramme thermodynamique température T et pression P du CO, pur à 98,5 % en volume. Sur le diagramme thermodynamique, le domaine liquide est indiqué par L, le domaine d'équilibre liquide et gaz est indiqué par L+G, le domaine gazeux est indiqué par G, et la courbe H délimite le domaine de formation des hydrates de CO,. Les courbes 50 à 56 indiquent les conditions thermodynamiques imposées au CO, lors de la liquéfaction. Les étapes de compression en phase gazeuse du CO, correspondent aux courbes 50, 52 et 54. Entre deux étapes de compression, le CO, a subi un refroidissement entre la température atteinte en fin de compression jusqu'à une température proche de la température ambiante. Ces étapes de refroidissement correspondent aux courbes 51 et 53. Le refroidissement peut être effectué par échange de chaleur avec de l'air, de l'eau, ou un autre fluide réfrigérant. En particulier, le refroidissement peut être effectué en utilisant les frigories obtenues lors de la détente de l'azote du conduit 2 produit par l'unité O. La courbe 55 représente également une étape de refroidissement du CO, sous haute pression (entre 50 bars et 100 bars). Lors de ce refroidissement représenté par la courbe 55, le CO, passe de la phase gazeuse à la phase liquide. Lors des différentes étapes de refroidissement correspondant aux courbes 51, 53 et 55, le CO, est refroidi jusqu'à une température supérieure à 0 C, de préférence 10 C. En phase liquide, le CO, est comprimé par une ou plusieurs pompes, par exemple disposées en série, en suivant les conditions de pression et de température de la courbe 56. Le CO, peut être comprimé jusqu'à sa pression d'injection dans le réservoir souterrain où il sera piégé. En général, la pression de séquestration est comprise entre 80 et 200 bars, et de préférence entre 100 et 120 bars. Selon l'invention, le CO, est liquéfié sous des conditions thermodynamiques où il n'y a pas de risque de formation d'hydrates et à une pression inférieure à la pression critique. Ce domaine, représenté avec des hachures sur la figure 2, est situé à droite de la courbe H, à gauche du domaine L+G et en dessous de la pression critique Pc. De préférence, le CO2 est liquéfié à environ 69 bars et 25 C. Dans ces conditions, la teneur maximale en composés inertes doit être limitée à 1, 5 % en volume pour pouvoir réaliser une liquéfaction du CO2 par simple compression et refroidissement. Si la pureté du CO2 est inférieure à 98,5 % en volume, il est alors nécessaire d'avoir une opération de distillation pour éliminer les composés inertes. Cette distillation est coûteuse en énergie et conduit à un rejet de CO2 à l'atmosphère en mélange avec les composés inertes. Lors de la liquéfaction du CO2, l'eau recueillie lors des refroidissements successifs après chaque étape de compression est évacuée par le conduit 13. Le CO2 liquide produit par l'unité LI est introduit par le conduit 14 dans le ballon de stockage SL. Le CO2 dans le ballon SL est à une pression comprise entre 50 bars et 70 bars et à une température comprise entre 10 C et 40 C. Le CO2 liquide contenu dans le ballon de stockage SL peut être destiné à la séquestration dans un réservoir souterrain, par exemple dans des anciens gisements pétroliers ou gaziers, dans des aquifères salins étanches, ou dans des mines de charbon. Le CO2 est évacué du ballon SL par le conduit 15, puis est convoyé après pompage jusque dans le réservoir, par exemple par circulation dans des conduites ou par transport dans des conteneurs. Le CO2 liquide contenu dans le ballon SL peut également servir au bon fonctionnement de l'installation de combustion. Par exemple, du CO2 peut être prélevé par le conduit 16, détendu et vaporisé par la vanne V7 et dirigé par le conduit 4 vers le mélangeur M, notamment dans la phase de purge au démarrage. Par ailleurs, du CO2 peut être prélevé par le conduit 17, détendu et vaporisé par la vanne V8, puis dirigé vers le conduit 18 pour pressuriser la chambre de combustion et éventuellement servir de gaz de transport pneumatique et de pressurisation de trémies dans le cas de combustion de solides, ce qui évite les entrées d'air parasite dans la chambre de combustion. L'installation de combustion selon l'invention peut être mise en oeuvre en utilisant une chambre de combustion et une cheminée déjà existante. Cette opération, couramment appelée remodelage ou revamping , permet de réutiliser des installations existantes qui sont coûteuses en investissement, dans un contexte de capture du CO2. En fonctionnement normal ou stabilisé, le mélangeur M fournit à la chambre CC un mélange d'oxygène provenant de l'unité O et de CO2 provenant du ballon de stockage SG. La chambre CC est alimentée en comburant provenant du mélangeur M et en combustible arrivant par le conduit 8. Les fumées de combustion sont intégralement dirigées dans les unités de traitement T et de condensation CT, puis introduites dans le ballon de stockage SG. Une partie du CO2 contenu dans le ballon SG est introduite dans le mélangeur M. Une autre partie du CO2 contenu dans le ballon SG est liquéfiée dans l'unité de liquéfaction LI, puis stockée dans le ballon SL, et enfin évacuée par le conduit 15 pour être stockée dans un réservoir souterrain. Lors du démarrage de la combustion dans l'installation représentée par la figure 1, on réalise les trois phases suivantes destinées à éliminer les composés inertes, notamment l'azote, présents à l'intérieur des différents organes de l'installation de combustion. Lors de la première phase ou phase de purge, on démarre l'unité O pour produire de l'oxygène. Le mélangeur M produit un mélange d'oxygène et de CO2 provenant de la détente à travers la vanne V7 de CO2 stocké dans le ballon SL. L'intégralité des fumées de combustion est évacuée par la cheminée C. Cette première phase est mise en oeuvre jusqu'à ce que les fumées sèches issues de la chambre de combustion contiennent au moins 98, 5 % en volume de CO2. Lors du premier démarrage de l'installation de combustion ou lors de la purge pour inspection du matériel, le réservoir de CO2 SL est vide. Il est nécessaire de disposer d'une première quantité de CO2 pour purger la quantité d'azote présente à l'intérieur de l'installation. On peut produire le CO2 à l'aide d'une colonne de distillation, ou bien on peut importer la quantité de CO2 nécessaire au premier démarrage. Alternativement, lors du premier démarrage, on peut utiliser, à la place du CO2, de la vapeur d'eau produite dans une chaudière auxiliaire pour diluer l'oxygène. Lors de la deuxième phase, on recycle une partie des fumées de combustion issues de la chambre CC. Ces fumées recyclées sont traitées dans l'unité CT, stockée dans le ballon SG et renvoyée par l'extracteur E2 et par le conduit 4 dans le mélangeur M. Ainsi, le mélange d'oxygène et de CO2 introduit dans la chambre CC est produit à partir du CO2 provenant de la chambre CC. La partie des fumées non recyclées est évacuée par la cheminée C. La troisième phase correspond au retour au mode de fonctionnement normal ou stabilisé précédemment décrit. Lors de la troisième phase, on dirige tout le flux de fumées de combustion provenant de la chambre CC vers l'unité CT et le ballon de stockage. La partie de CO2 qui n'est pas recyclée vers le mélangeur M est introduite dans l'unité de liquéfaction LI puis dans le ballon de stockage SL. REVENDICATIONS 1) Procédé de combustion avec capture du dioxyde de carbone, dans lequel on effectue au moins les étapes suivantes: a) on mélange un flux riche en oxygène avec un flux riche en dioxyde de carbone, b) on introduit le mélange et un combustible dans une chambre de combustion (CC), c) on maintient la pression interne de la chambre de combustion (CC) à une valeur supérieure à la pression atmosphérique, d) on traite les fumées de combustion par refroidissement pour condenser l'eau et des composés soufrés, et e) on liquéfie au moins une partie des fumées traitées obtenues à l'étape d), par compression et refroidissement. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel une partie des fumées traitées obtenues à l'étape d) est utilisée pour être mélangée avec le flux riche 20 en oxygène à l'étape a). 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la pression interne de la chambre de combustion (CC) est comprise entre 0,1 et 100 millibars relatifs. 4) Procédé selon la revendication 3, dans lequel le mélange et le combustible sont introduits dans la chambre de combustion (CC) à une pression comprise entre 0,1 et 100 millibars relatifs. 5) Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, dans lequel on introduit, à une pression relative comprise entre 0,1 et 100 millibars, un flux riche en dioxyde de carbone gazeux dans la chambre de combustion (CC). 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, à l'étape e), la liquéfaction des fumées traitées est réalisée par au moins une compression des fumées à une pression comprise entre 50 et 70 bars et par refroidissement des fumées comprimées à une température comprise entre 0 C et 30 C. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel à l'étape b), on ajuste les débits du combustible et du mélange introduit dans la chambre (CC) de manière à produire des fumées de combustion contenant un excès d'oxygène inférieur à 3 % en volume. 8) Procédé selon la revendication 7, dans lequel à l'étape a), on ajuste la teneur en oxygène du mélange à une valeur comprise entre 30 % et 40 % en volume. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au démarrage du procédé, on purge la chambre de combustion (CC) en réalisant une combustion avec un combustible et un mélange comportant de l'oxygène et du dioxyde de carbone provenant d'un réservoir (SL) de stockage de dioxyde de carbone liquide, les fumées de combustion étant rejetée à l'atmosphère. 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le liquide obtenu à l'étape e) est injecté et séquestré dans un réservoir souterrain.