Brevet FR2891013A1 — publié le 20070323

La présente invention concerne le domaine des turbines à gaz, le dioxyde de carbone (CO,) émis étant capturé dans des conditions de concentration et de pression favorables. Depuis les débuts de l'ère industrielle, le taux de CO2 présent dans l'atmosphère augmente régulièrement en raison de l'augmentation sans cesse croissante de l'utilisation comme source d'énergie des combustibles dits "fossiles" comme le charbon, les hydrocarbures liquides ou gazeux comme le gaz naturel. Il est prouvé que le CO2 émis lors de la combustion de ces combustibles est responsable de l'effet de serre et du réchauffement global de la planète constaté depuis quelques décennies. Il est ainsi impératif, pour limiter l'effet de serre dans les années futures, de développer et de mettre en oeuvre de nouvelles techniques de capture du CO2 avant le rejet final des fumées de combustion. Ces techniques doivent être simples, robustes, efficaces et les moins onéreuses possibles dans leur mise en oeuvre et leur fonctionnement. Dans le domaine des générateurs thermiques, une première solution consiste à prélever le CO2 présent dans les fumées de combustion avant le rejet de celles-ci dans l'atmosphère. Les méthodes utilisées sont basées généralement sur la cryogénie, l'absorption par réaction chimique ou physique avec un autre composé, ou encore la séparation par membranes. Les importantes quantités de fumées à traiter ainsi que les faibles pressions partielles de CO2 dans ces fumées à pression atmosphérique expliquent que ces solutions soient cependant complexes et coûteuses à mettre en oeuvre. Le document FR 2 825 935 décrit un arrangement de turbine à gaz qui présente des avantages importants par rapport à l'art antérieur. Cet arrangement illustré par la figure 1 permet de capturer le CO2 sous pression et à une concentration plus élevée que celle qui est obtenue normalement à la sortie d'une turbine à gaz. Elle présente néanmoins comme inconvénient la nécessité d'une purge de gaz afin d'éviter une accumulation d'azote et d'oxygène. De ce fait une partie du CO2 généré est envoyée à l'atmosphère. La présente invention propose d'effectuer une capture du CO2 sur des gaz sous pression et relativement concentrés, en évitant d'évacuer un flux comportant du CO2. De manière générale, la présente invention concerne un procédé pour diminuer le taux de CO2 présent dans les fumées rejetées par un générateur de puissance brûlant un mélange d'un comburant et d'un combustible contenant des hydrocarbures, dans lequel on effectue les étapes suivantes: a) on détend les fumées de combustion, b) on comprime un gaz composé au moins en partie des fumées de combustion, c) on élimine au moins une partie du CO2 présent dans une première partie du gaz comprimé obtenu à l'étape b), d) on recycle une deuxième partie du gaz comprimé obtenu à l'étape b), le comburant comportant au moins la deuxième partie du gaz comprimé. Selon l'invention, avant l'étape b), on peut mélanger les fumées de combustion avec un gaz comportant de l'oxygène de manière à ce que le gaz comprimé à l'étape b) comporte des fumées de combustion et de l'oxygène. Alternativement, avant l'étape d), on peut mélanger ladite deuxième partie du gaz comprimé avec un gaz comportant de l'oxygène. On peut refroidir le gaz comprimé obtenu à l'étape b) et, avant l'étape d) , on peut comprimer la deuxième partie du gaz comprimé. On peut détendre puis rejeter à l'atmosphère les gaz appauvris en CO2 obtenus à l'étape c). On peut refroidir les fumées de combustion par échange de chaleur avec une solution absorbante mise en oeuvre à l'étape c). Le générateur de puissance peut effectuer une combustion catalytique. On peut ajuster la teneur en oxygène de manière à ce que la combustion soit réalisée dans des conditions stoechiométriques. Le gaz comportant de l'oxygène peut être de l'air. La présente invention concerne également un générateur de puissance brûlant un mélange d'un comburant et d'un combustible contenant des 1 o hydrocarbures, le générateur comportant un compresseur, des moyens de combustion, une turbine de détente et des moyens de séparation du CO2 contenu dans un flux gazeux, la sortie du compresseur étant reliée d'une part à une entrée des moyens de combustion et d'autre part à l'entrée des moyens de séparation du CO2. Selon l'invention, les moyens de combustion peuvent comporter des brûleurs catalytiques. Les moyens de séparation du CO2 peuvent être choisis dans le groupe constitué par les colonnes utilisant des solvants d'absorption, les colonnes de distillation cryogénique, les membranes, les tamis moléculaires adsorbants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux figures 1 à 5, sur lesquelles les organes similaires sont désignés par des références identiques, et parmi lesquelles: - la figure 1 illustre selon l'art antérieur le schéma d'un générateur électrique intégrant une turbine à gaz et un dispositif de captation du CO2 sur le gaz recyclé après compression de ce gaz, - la figure 2 schématise un générateur de puissance selon l'invention, - la figure 3 représente un exemple de procédé pour capter le CO2, les figures 4 et 5 représentent des variantes du générateur de puissance selon l'invention. La figure 1 schématise un générateur d'énergie, selon l'art antérieur, de type turbine à gaz dans lequel est brûlé un combustible hydrocarboné liquide ou gazeux (du gaz naturel dans les exemples donnés ci-après), suivi d'un dispositif S1 de séparation du CO2. Le générateur de puissance se compose d'une turbine à gaz intégrant: - un compresseur Kl comprenant au moins un étage de compression, 10 une chambre de combustion CO, - une turbine de détente Tl fournissant l'énergie nécessaire pour l'entraînement du compresseur Kl et de l'alternateur Al. L'air d'alimentation arrivant par le conduit 3 est mélangé avec des gaz de combustion recyclés de façon à pouvoir augmenter la teneur en CO2 des gaz 15 qui circulent dans la section de compression du dispositif. Les gaz comprimés par Kl sont dérivés par le conduit 8, pour extraire le CO2 par le dispositif de séparation S1. Le CO2 qui est récupéré par le conduit 5, peut être par exemple stocké dans le sous-sol. La capture du CO2 est effectuée sur des gaz sous pression et relativement concentrés, ce qui est avantageux. Il est toutefois nécessaire de purger une partie du gaz sortant de la turbine par le conduit 2 pour évacuer l'azote arrivant avec l'air de combustion. Il en résulte une émission de CO2. De ce fait la récupération de CO2 reste limitée. La présente invention propose d'effectuer une capture du CO2 sur des gaz sous pression et relativement concentrés, en évitant d'évacuer un flux comportant du CO2. Selon l'invention, on opère de façon à pouvoir évacuer simultanément le CO2 produit par combustion et l'azote introduit avec l'air de combustion, sans avoir à émettre de CO2 avec l'azote qui est évacué. Le principe de l'invention est décrit en relation avec le schéma de la figure 2. Dans cet exemple de configuration de la figure 2, les fumées de combustion mélangées avec de l'air arrivant par le conduit 3 sont comprimées par le compresseur Kl. Une première fraction des gaz comprimés est dérivée par le conduit 8. Cette fraction de gaz est refroidie d'abord dans l'échangeur de chaleur gaz-gaz E2 avec une fraction gazeuse évacuée de S1, puis à l'aide d'un fluide extérieur de réfrigération dans l'échangeur de chaleur C2. Le gaz comprimé refroidi est introduit dans le dispositif de séparation S1 dans lequel on sépare le CO2 de l'azote. Le CO2 est évacué du dispositif S1 par le conduit 5, pour être par exemple recomprimé et injecté dans le sous-sol pour être stocké. A l'issue de cette séparation, on obtient un gaz substantiellement débarrassé du CO2, riche en azote et contenant également une faible proportion d'oxygène. Ce gaz passe par l'échangeur E2 dans lequel il est réchauffé et il est ensuite détendu dans la section de turbine T2. Le gaz détendu qui est évacué par le conduit 13 contient de l'azote, un peu d'oxygène, mais pratiquement plus de CO2. Une deuxième fraction des gaz comprimés issus de Kl est envoyée par le conduit 9 dans la chambre de combustion CO à titre de comburant. Le combustible, par exemple des hydrocarbures liquides ou gazeux, est introduit dans CO par le conduit 6. Les fumées de combustion évacuées de CO par le conduit 10 sont détendues dans la turbine Tl, refroidies par échange de chaleur dans El et Cl, puis recyclées à l'entrée du compresseur Kl. L'eau condensée par refroidissement dans El et Cl peut être séparée des fumées dans le ballon B1, et évacuée par le conduit 4. Pour séparer le CO2 dans le dispositif S1, on peut utiliser tout procédé connu. Par exemple, on peut mettre en oeuvre un procédé d'absorption du CO2 par solvant physique ou chimique, décrit notamment par les documents EP 744 987 et WO 00/57990. La solution absorbante peut comporter par exemple des amines primaires telles la MEA, la DGA et la DIPA, des amines secondaires comme la DEA, des amines tertiaires comme la MDEA. On peut aussi utiliser une solution de carbonate de potassium. En outre, le dispositif S1 peut mettre en oeuvre un procédé de distillation cryogénique, de séparation par membrane, et plus particulièrement de membrane à perméation gazeuse ou il peut être basé sur l'utilisation des techniques d'adsorption sur tamis moléculaire. Ces procédés sont par exemple décrits dans "Natural gas: production, processing, transport" (A. Rojey et C. Jaffret) Editions Technip, Paris, 1997. La figure 3 propose de mettre en oeuvre dans le dispositif S1 un procédé d'absorption du CO2 par solvant. Le procédé décrit en référence à la figure 3 s'intègre au procédé décrit par la figure 2, les références identiques désignant les mêmes éléments. Sur la figure 3, le gaz comprimé arrivant par le conduit 8 est refroidi par les échangeurs de chaleur E2 et C2, puis introduit dans la colonne d'absorption CAl pour être mis en contact avec un solvant comportant une amine qui absorbe le CO2. Le solvant est régénéré dans la colonne de distillation CD2. Dans l'exemple de configuration qui est représenté par la figure 3, la colonne de distillation CD2 opère d'une part avec un rebouilleur RB1 situé au fond de la colonne de distillation et avec un rebouilleur intermédiaire RB2 situé à un niveau intermédiaire entre le fond et la tête de la colonne. La fraction gazeuse détendue et recyclée doit être refroidie. Il est avantageux dans ce cas de récupérer au moins en partie la chaleur disponible pour régénérer le solvant utilisé pour capturer le CO2. Les deux rebouilleurs RB1 et RB2 permettent de récupérer de la chaleur sur un large intervalle de température. Ainsi, le gaz sortant de la turbine Ti par le conduit 1 est d'abord refroidi dans l'échangeur de chaleur El, dans lequel il produit de la vapeur qui peut alimenter un cycle à condensation produisant une puissance électrique supplémentaire. Il passe ensuite dans les rebouilleurs RB1 et RB2 dans lequel il fournit la chaleur nécessaire à la régénération du solvant dans la colonne de distillation CD2. Et ensuite, le gaz est envoyé dans l'échangeur final de refroidissement Cl. Il est également possible d'utiliser un fluide caloporteur auxiliaire qui permet de récupérer la chaleur sur les gaz d'échappement de la section de turbine Ti et de réchauffer les rebouilleurs RBl et RB2. La présence d'oxygène dans le gaz introduit dans le dispositif S1 peut être gênante dans certains cas. En effet, dans le cas de la mise en oeuvre par S1 d'un procédé d'absorption du CO2 par solvant, la présence d'oxygène peut nuire à la stabilité chimique du solvant. En outre, la perte d'oxygène nécessite une augmentation du débit d'air d'alimentation, qui n'est pas favorable au rendement global du dispositif. Pour éviter cette présence d'oxygène dans le gaz traité par le dispositif 15 S1, on peut opérer selon le schéma de la figure 4. Les fumées arrivant par le conduit 1 sont comprimées dans la zone de compression Kl. L'air arrivant par le conduit 3 est comprimée dans une zone de compression K2 distincte de la zone de compression Kl. Par exemple, Kl et K2 peuvent être deux compresseurs distincts. Kl et K2 peuvent également être deux étages de compression distincts et montés sur un même arbre d'entraînement. L'air comprimé dans K2 est mélangé avec la fraction gazeuse évacuée de Kl par le conduit 9. Ce mélange de gaz sous pression est introduit dans la chambre de combustion CO. Dans ces conditions, la fraction gazeuse évacuée par le conduit 8 contient de l'azote et du CO2, mais pratiquement pas d'oxygène, ce qui permet d'évacuer de l'azote pratiquement pur par le conduit 13. La figure 5 propose une variante du procédé schématisé par la figure 2. Sur la figure 5, le mélange d'air et de fumées comprimé par le compresseur K1 est refroidi dans l'échangeur de chaleur E3, puis est séparé en deux fractions gazeuses évacuées par les conduits 8 et 9. La fraction gazeuse circulant dans le conduit 8 est débarrassée du CO2 dans le dispositif S1, puis détendu dans la turbine T2. Le gaz appauvri en CO2 est détendu dans la turbine T2. La fraction gazeuse circulant dans le conduit 9 est comprimée dans la zone de compression K3, puis introduite par le conduit 7 dans la chambre de combustion CO. La variante schématisée par la figure 5 correspond à une turbine à gaz comportant un refroidissement intermédiaire, couramment appelé "intercooling", sur le compresseur. L'échangeur E3 permet, d'une part de refroidir les gaz destinés à être comprimé par K3 et, d'autre part, de refroidir les gaz envoyés vers le dispositif S1. Ainsi, la capture du CO2 ne nécessite pas d'échangeurs de chaleur supplémentaires. Alternativement, à la place de mélanger l'air avec les fumées avant compression dans Ki, l'air peut être comprimé par un compresseur distinct du compresseur Ki, puis mélangée avec la fraction de gaz circulant dans le conduit 9 ou 7 introduite à titre de comburant dans la chambre de combustion CO. Les avantages de la présente invention sont illustrés par les exemples 20 numériques suivants. Exemple 1 (selon l'art antérieur) : Un dispositif analogue à celui décrit en relation avec la figure 1 est utilisé dans cet exemple. Selon la simulation réalisée par le demandeur, l'air arrive par le conduit 3 avec un débit de 21966 kmol/h (kilomoles par heure). Le combustible est constitué de gaz naturel introduit dans la chambre CO par la conduite 6 avec un débit de 2306 kmol/h. L'air total introduit est mélangé en amont du compresseur avec des fumées froides recyclées issues du ballon B1 et dont le débit est de 26600 kmol/h (correspondant à un taux de recyclage d'environ 60% des fumées). Le mélange est comprimé à 30 bars par le compresseur K1. Le gaz sous pression est refroidi à 50 C puis passe dans le moyen d'absorption S1 qui est une colonne dans lequel une circulation liquide à contre courant d'amine, et du gaz comprimé est effectuée. La colonne est dimensionnée de telle façon que 90% du CO2 contenu dans le mélange est absorbé. Le mélange débarrassé de la majorité de son CO2 est ensuite envoyé via le conduit 7 dans la chambre de combustion CO équipée de brûleurs catalytiques. 1 o Les fumées dont la température est d'environ 1300 C sont introduites à l'entrée de la turbine de détente Ti. En sortie de la turbine de détente, le débit molaire des fumées traitées est de 48470 kmol/h dont environ 60% est recyclé vers le compresseur Kl. Le débit de dioxyde de carbone rejeté par le conduit 2 est dans ce cas d'environ 1026 kmol/h. Le taux de capture du CO2 sur cette unité est ainsi de 44,5 %. Exemple 2 (selon l'invention) : Un dispositif analogue à celui décrit en relation avec la figure 2 est utilisé dans cet exemple. Selon la simulation réalisée par le demandeur, l'air arrive par la conduite 3 avec un débit de 43920 kmol/h. Le combustible est constitué de gaz naturel introduit dans la chambre CO par la conduite 6 avec un débit de 2306 kmol/h. L'air total introduit est mélangé en amont du compresseur avec des fumées froides recyclées issues du ballon B1 et dont le débit est de 41038 kmol/h (correspondant à un taux de recyclage de 100 % des fumées). Le mélange est comprimé à 30 bars par le compresseur Kl. Une partie de ce mélange est acheminée via le conduit 9 vers la chambre de combustion CO. Les fumées dont la température est d'environ 1300 C sont introduites à l'entrée de la turbine de détente Tl. L'autre partie du mélange comprimé est prélevée par le conduit 8. Ce gaz sous pression est refroidi à 50 C dans les échangeurs E2 et C2, puis passe dans le moyen d'absorption S1 qui est une colonne dans lequel une circulation liquide à contre courant d'amine, et du gaz comprimé est effectuée. La colonne est dimensionnée de telle façon que 90% du CO2 contenu dans le mélange est absorbé par le courant d'amine. Le mélange débarrassé de la majorité de son CO2 est ensuite envoyé via le conduit 2 dans la turbine de détente T2. Le débit de dioxyde de carbone rejeté par le conduit 13 est dans ce cas d'environ 230 kmol/h. Le taux de capture du CO2 sur cette unité est ainsi de 10 90%. Exemple 3 (selon l'invention) : Un dispositif analogue à celui décrit en relation avec la figure 4 est utilisé dans cet exemple. Selon la simulation réalisée par le demandeur, l'air arrive par le conduit 3 avec un débit de 21966 kmol/h. Il est comprimé à 30 bars par le compresseur K2. Le combustible est constitué de gaz naturel introduit dans la chambre CO par le conduit 6 avec un débit de 2306 kmol/h. L'air est ensuite mélangé en amont de la chambre de combustion CO avec une partie des fumées recyclées issues du compresseur Kl et dont le débit est de 47816 kmol/h. Les fumées dont la température est d'environ 1300 C sont introduites à l'entrée de la turbine de détente Ti puis recyclées vers le compresseur Kl. Une partie du mélange est prélevée par le conduit 8. Ce gaz sous pression est refroidi à 50 C puis passe dans le moyen d'absorption S1 qui est une colonne dans lequel une circulation liquide à contre courant d'amine, et du gaz comprimé est effectuée. La colonne est dimensionnée de telle façon que 90% du CO2 contenu dans le mélange est absorbé. Le mélange débarrassé de la majorité de son CO, est ensuite envoyé via le conduit 2 dans la turbine de détente T2. Le débit de dioxyde de carbone rejeté par le conduit 13 est dans ce cas d'environ 230 kmol/h. Le taux de capture du CO2 sur cette unité est ainsi de 90%. REVENDICATIONS 1) Procédé pour diminuer le taux de CO2 présent dans les fumées rejetées par un générateur de puissance brûlant un mélange d'un comburant et d'un combustible contenant des hydrocarbures, dans lequel on effectue les étapes suivantes: a) on détend les fumées de combustion, b) on comprime un gaz composé au moins en partie des fumées de combustion, c) on élimine au moins une partie du CO2 présent dans une première partie du gaz comprimé obtenu à l'étape b), d) on recycle une deuxième partie du gaz comprimé obtenu à l'étape b), le comburant comportant au moins la deuxième partie du gaz comprimé. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel avant l'étape b), on mélange les fumées de combustion avec un gaz comportant de l'oxygène de manière à ce que le gaz comprimé à l'étape b) comporte des fumées de combustion et de l'oxygène. 3) Procédé selon la revendication 1, dans lequel avant l'étape d), on mélange ladite deuxième partie du gaz comprimé avec un gaz comportant de l'oxygène. 4) Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel ledit gaz comportant de l'oxygène est de l'air. 5) Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel on ajuste la teneur en oxygène de manière à ce que la combustion soit réalisée dans des conditions stoechiométriques. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on refroidit le gaz comprimé obtenu à l'étape b) et dans lequel, avant l'étape d), on comprime la deuxième partie du gaz comprimé. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on détend puis on 10 rejette à l'atmosphère les gaz appauvris en CO2 obtenus à l'étape c). 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel on refroidit les fumées de combustion par échange de chaleur avec une solution absorbante mise en oeuvre à l'étape c). 9) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le générateur de puissance effectue une combustion catalytique. 10)Générateur de puissance brûlant un mélange d'un comburant et d'un combustible contenant des hydrocarbures, le générateur comportant un compresseur (K1), des moyens de combustion (CO), une turbine de détente (Ti) et des moyens de séparation (Si) du CO2 contenu dans un flux gazeux, la sortie du compresseur (Kl) étant reliée d'une part à une entrée des moyens de combustion (CO) et d'autre part à l'entrée des moyens de séparation (Si) du CO2. 11)Générateur selon la revendication 10, dans lequel les moyens de combustion (CO) comprennent des brûleurs catalytiques. 12)Générateur selon l'une des revendications 10 et 11, dans lequel les moyens de séparation (Si) du CO2 sont choisis dans le groupe constitué par les colonnes utilisant des solvants d'absorption, les colonnes de distillation cryogénique, les membranes, les tamis moléculaires adsorbants.