Brevet FR2891609A1 — publié le 20070406

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 CO2 en vue de l'injecter dans des couches géologiques adéquates (anciens gisements pétroliers ou gaziers, aquifères salins étanches, mines de charbon...). Le document FR E.N. 04/07219 propose un procédé de combustion qui permet notamment de réaliser la liquéfaction totale du dioxyde de carbone capturé à température ambiante. La réalisation de la liquéfaction totale du CO2 impose de limiter la teneur des composés inertes présents dans le CO2 produit. Dans ce procédé, le taux de capture maximum du CO2 dépend essentiellement de la proportion de gaz inertes présents dans les fumées de la combustion. Afin de limiter au mieux la quantité de gaz inertes dans les fumées pour ne pas pénaliser le rendement de capture du CO2, ce procédé doit fonctionner préférentiellement avec une chambre de combustion maintenue constamment en légère surpression par rapport à l'extérieur, il doit également fonctionner préférentiellement avec une unité de production d'oxygène capable de fournir de l'oxygène pur à plus de 98 % . La présente invention propose un procédé d'oxycombustion avec capture du CO2 dans lequel la teneur en inertes dans le CO2 n'est pas contraignante. Selon l'invention, il n'est pas nécessaire de liquéfier totalement le CO2 avant transport: le transport du CO2 est effectué après compression polyphasique qui permet de traiter un flux de CO2 comportant une part significative de composés inertes. De manière générale, la présente invention concerne un procédé de combustion avec capture du dioxyde de carbone, dans lequel on effectue au 15 moins les étapes suivantes: a) on mélange un flux riche en oxygène avec un flux riche en dioxyde de carbone pour former un mélange, b) on brûle un combustible avec ledit mélange, c) on traite les fumées de combustion pour condenser l'eau et entraîner 20 des composés soufrés, et d) on liquéfie partiellement au moins une partie des fumées traitées obtenues à l'étape c), par compression et refroidissement, e) on comprime au moyen d'au moins une pompe polyphasique les fumées partiellement liquéfiées obtenue à l'étape d) de manière à 25 obtenir un flux comprimé. Selon l'invention, une partie des fumées traitées obtenues à l'étape c) peut être utilisée pour être mélangée avec le flux riche en oxygène à l'étape a). A l'étape d), la liquéfaction partielle des fumées traitées peut 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 40 C. Selon l'invention, on peut, en outre, effectuer les opérations suivantes: - on détend une partie du flux comprimé obtenu à l'étape e), puis - on recycle ladite partie de flux en ajoutant ladite partie de flux détendu aux fumées partiellement liquéfiées obtenues à l'étape c), avant compression par la pompe polyphasique. De plus, on peut refroidir par échange de chaleur ladite partie de flux 1 o comprimé avant d'effectuer la détente. Selon l'invention, on peut injecter les fumées comprimées dans un réservoir souterrain. Les fumées comprimées obtenues à l'étape e) peuvent être transportées, puis injectées et séquestrées dans un réservoir souterrain. Alternativement les fumées comprimées obtenues à l'étape e) peuvent être transportées, puis injectées dans un réservoir souterrain d'hydrocarbures en production afin d'améliorer la récupération d'hydrocarbures. La pompe polyphasique peut être une pompe rotodynamique hélicoaxial, comportant au moins une cellule de compression montée sur un même arbre et dont la géométrie est adaptée au pompage des mélanges d'une phase gazeuse et d'au moins une phase liquide. Plus précisément, la pompe polyphasique peut comporter au moins une cellule de compression adaptée au pompage des mélanges d'une phase gazeuse et d'au moins une phase liquide, associée à au moins une cellule de compression classiquement utilisée pour le pompage ou la compression de fluides constitués d'une seule phase. Le principal avantage du procédé selon l'invention est de permettre la capture de la totalité du CO2 issu de la combustion, c'est-à-dire un rendement de capture du CO2 de 100 pour cent. Le procédé selon l'invention permet de transporter jusqu'à son lieu de stockage le CO2 produit par une installation d'oxycombustion et ce quelle que soit sa pureté et en particulier sa teneur en inertes dont azote, argon et oxygène. Mais d'autres avantages peuvent être procurés par la présente invention en comparaison avec le procédé décrit dans le document FR E.N. 04/07219: une augmentation du rendement énergétique global de l'unité de traitement du CO2, - un abaissement du coût de l'investissement total, - un abaissement des coûts d'exploitation, - un risque industriel et environnemental diminué. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 15 compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant à la figure 1 qui schématise une installation de combustion. 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 CO2. L'installation de combustion peut également être un four de cimenterie ou un haut-fourneau à l'oxygène utilisé notamment dans l'industrie sidérurgique. 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 0 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 CO2: les frigories récupérées sur le circuit de rejet de l'azote peuvent être utilisées lors de la liquéfaction partielle du CO2. L'unité O produit de l'oxygène pur à 95 % en volume, en général. L'oxygène produit par l'unité O est envoyé par le conduit 3 dans le mélangeur gaz/gaz M pour être mélangé avec le CO2 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 CO2 est évacué du mélangeur M par le 1 o conduit 5. 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 20 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 un excès d'oxygène. 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 0 de production d'oxygène ou le conditionnement et transport du CO2 vers le stockage souterrain. 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 25 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. Ce fonctionnement est privilégié lorsque la combustion est réalisée à l'air, notamment dans les phases d'arrêt ou démarrage de l'installation ou en cas de problème prolongé sur l'unité O de production d'oxygène ou sur l'unité de traitement et de transport du CO2 vers le stockage. Lorsque le registre V6 est ouvert et le registre V5 est fermé, les fumées sont introduites dans l'unité CT de condensation de l'eau. 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. 1 o Les fumées désulfurées et débarrassées de l'eau condensée sont stockées dans le ballon SG. Une partie des fumées contenues 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 autre partie des fumées contenue dans le ballon SG est introduite par le conduit 12 et partiellement liquéfiée clans l'unité de liquéfaction LI. En fonctionnement stabilisé, le débit de CO2 entrant dans l'unité LI correspond au débit de CO2 produit par la combustion. La liquéfaction partielle est réalisée par une succession d'étapes de compression et de refroidissement. Entre deux étapes de compression, le CO2 a subi un refroidissement entre la température atteinte en fin de compression jusqu'à une température proche de la température ambiante. 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. Lors de la liquéfaction du CO2, l'eau recueillie lors des refroidissements successifs après chaque étape de compression peut être évacuée par le conduit 13. A l'état final, le CO2 est sous haute pression (entre 50 bars et son point critique) et à basse température (entre 0 et 40 C), de préférence à 10 C. Du fait de la présence d'inertes, il n'est pas possible de liquéfier totalement la phase gazeuse. Il faudrait une pureté d'au moins 95 % vol. de CO2 pour n'avoir qu'une phase liquide alors que les installations d'oxycombustion produisent en général un CO2 avec une pureté maxi de 90 % vol. Dans ce cas, comme cela est illustré dans l'exemple numérique présenté ci-après, on obtient après séparation, deux phases: -une phase gaz contenant pratiquement tous les inertes et une partie 10 de CO2 (de 40 à 60 % vol.), - une phase liquide contenant le reste du CO2. Le CO2 partiellement liquéfié dans l'unité LI et les inertes sont introduits par le conduit 14 dans le ballon de stockage SM. Le mélange dans le ballon SM est à une pression comprise entre 50 bars et 70 bars et à une température comprise entre 0 C et 40 C. Ce mélange contenu dans le ballon de stockage SM 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. Il peut être aussi injecté dans un gisement d'hydrocarbures, par exemple de pétrole ou de gaz, en fin de vie afin de faire de la récupération assistée. Le mélange est évacué du ballon SM par le conduit 15, puis est convoyé après compression polyphasique jusque dans le réservoir, par exemple par circulation dans le conduit 16. Dans la présente invention, il est proposé de comprimer le mélange biphasique obtenu au moyen d'une pompe polyphasique PP, au moins. Il pourra être utilisé plusieurs pompes en parallèle ou en série. La ou les pompes polyphasiques utilisées sont de préférence des pompes polyphasiques de type rotodynamique hélico-axial compte tenu des conditions de pression, de température et de débits volumiques des fumées généralement rencontrées dans les installations industrielles d'oxycombustion, mais on ne sort pas du domaine de l'invention si d'autres types de pompes polyphasiques sont utilisés, comme par exemple des pompes polyphasiques volumétriques à vis multiples. Les pompes polyphasiques de type rotodynamique hélico-axial sont constituées d'un ou plusieurs étages de compression fixés sur un même arbre et dont la géométrie est adaptée au pompage des mélanges d'une phase gaz et d'au moins une phase liquide. La géométrie de telles cellules et notamment décrite dans le document FR 2 665 224 ou dans le document GB 2 287 288, cette liste n'étant pas limitative et citée uniquement à titre d'exemples de réalisations possibles pour la pompe polyphasique. La pompe polyphasique peut également être constituée d'un ou plusieurs étages polyphasiques suivis d'un ou plusieurs étages non hélicoaxiaux, tels que des étages de géométrie radiale ou semi-radiale habituellement utilisés sur les pompes centrifuges pour liquide monophasique. Le document FR 2 748 532 décrit une telle association, particulièrement avantageuse pour le présent procédé s'il faut élever la pression au dessus de celle où le mélange n'est plus constitué que d'une ou plusieurs phases liquides ou d'une seule phase dense. Le CO2 peut être comprimé jusqu'à sa pression d'injection dans le réservoir souterrain où il sera piégé. En général, la pression d'injection est comprise entre 80 et 300 bars, et de préférence entre 100 et 120 bars. Pour connaitre la pression au refoulement de la pompe polyphasique, il faut comme dans l'exemple numérique, présenté ci-après, tenir compte des hauteurs statiques et des pertes de charges dans les lignes de transport et dans le puits. Avantageusement, on peut disposer une boucle de recyclage du CO2 autour de la pompe polyphasique PP. Une partie du flux de CO2 sous pression refoulé par la pompe PP est refroidi dans l'échangeur de chaleur E3, par exemple jusqu'à une température comprise entre 0 C et 40 C. De préférence la partie de flux de CO2 sous pression est refroidie par échange de chaleur avec un fluide ambiant, par exemple de l'air ou de l'eau. Ce flux réfrigéré est ensuite détendu dans l'organe de détente Ti jusqu'à une pression proche de la pression d'admission de la pompe PP, par exemple comprise entre 50 bars et 70 bars. Le flux détendu est recyclé à l'admission de la pompe en étant mélangé avec le CO2 partiellement liquéfié circulant dans le conduit 15. L'organe de détente Ti peut être une vanne de détente ou bien une turbine de détente diphasique. Dans le cas de l'utilisation d'une turbine, on peut récupérer l'énergie de détente pour entraîner la pompe PP, par exemple en montant la turbine Tl et la pompe PP sur le même arbre. La boucle de recyclage du CO2 autour de la pompe polyphasique PP présente, d'une part, l'avantage de protéger la pompe PP vis-à-vis d'une instabilité de fonctionnement par insuffisance de débit. D'autre part, en abaissant la température du flux en entrée de la pompe PP, cette boucle permet d'augmenter la proportion liquide/gaz en entrée de la pompe et, ainsi, les performances de la pompe PP en sont améliorées. 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 de l'eau, 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 partiellement liquéfiée dans l'unité de liquéfaction LI, puis stockée dans le ballon SM, comprimée en phase mixte et enfin évacuée par le conduit 15 pour être stockée dans un réservoir souterrain. Ainsi, la présente invention permet de capturer et de séquestrer la totalité du CO2 issu de la chambre de combustion CC. 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. Ce type d'opération est rendue possible par le procédé selon l'invention car il ne nécessite pas de pressuriser la chambre de combustion CC. Les différents avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de l'exemple numérique, exposé ci-après, de l'application du schéma décrit en référence à la figure 1. Dans l'exemple d'application on considère le cas d'une oxy-chaudière de 450 MWatts nets, produisant 470 tonnes par heure de CO2 mélangé à des impuretés et des gaz inertes dans - Dioxyde de carbone CO2: 25 - Eau H2O: - Azote N2: - Oxygène 02: - ArgonAr: - autres dont SO2:les proportions massiques suivantes: 91,13 % 1,33 % 1,84 % 2,20 % 3,34 % 0,16 % Dans cet exemple, la pompe polyphasique est conçue pour élever la pression du mélange de 50 bars à 100 bars. La phase eau H2O est retirée du mélange préalablement à la compression, au moyen d'une unité de déshydratation en amont de la pompe polyphasique. Pour obtenir cette élévation de pression avec le débit total considéré, une seule pompe polyphasique de type hélico-axial peut convenir. Cette pompe est constituée de 10 étages de compression montés en série sur un même arbre et comprenant une partie tournante solidaire de l'arbre en rotation, appelée rotor, et une partie fixe, appelée stator, qui redresse l'écoulement. Pour cette application, les calculs de pré-dimensionnement de la pompe conduisent à un diamètre extérieur du rotor de 460 mm et à une vitesse de rotation du rotor de 3600 tours par minute. La pompe polyphasique est constituée de deux séries de cellules de compression, une première série de 4 cellules successives précède une deuxième série de 6 cellules. La géométrie de chaque cellule de compression est identique dans une même série. Le choix de deux séries distinctes de cellules dans la pompe est destiné à ajuster la géométrie des cellules de compression aux caractéristiques de l'écoulement à travers la pompe afin d'optimiser les performances hydrauliques de la machine pour l'application considérée. Dans cette pompe, il n'est pas nécessaire d'utiliser une cellule de géométrie différente pour chaque étage de compression comme sur les turbines ou les compresseurs axiaux. La puissance motrice nécessaire sur l'arbre de cette pompe est d'environ 5100 kWatts. Pour cet exemple, l'évolution des caractéristiques thermodynamiques du mélange comprimé à travers la pompe est indiquée dans le tableau ciaprès: Unité entrée entrée entrée entrée entrée sortie pompe ét.3 ét. 5 ét.7 ét.9 pompe Pression bar a. 50,0 56,7 64,4 73,9 86,2 100,6 Température C 6,0 10,9 16,0 21,7 30,7 41,7 Débit gaz m3/h 2282 1986 1729 1538 1567 1503 Masse volumique gaz kg/m3 144 172 210 271 325 339 Débit liquide m3/h 200 192 172 115 6,8 6,8 Masse volumique liquide kg/m3 932 909 886 862 995 991 Débit total gaz + liquide m3/h 2483 2178 1901 1653 1574 1510 Masse volumique moyenne kg/m3 208 237 271 312 328 342 Fraction volumique de gaz 0,919 0,912 0,910 0,931 0,996 0,995 Rapport volumique m3/m3 11,4 10,4 10,1 13,4 note note Gaz/Liquide Note: non significatif, le domaine de la phase dense étant atteint Cet exemple montre que la compression en phase mixte permet d'obtenir le niveau de pression d'injection souhaité (ici 100 bars) pour la totalité du débit des résidus de combustion d'une oxy-chaudière de 450 MWatts, soit environ 516 tonnes par heure. Le traitement de ce débit est possible avec une seule pompe polyphasique à 10 étages et nécessite une puissance motrice inférieure ou égale à la puissance habituellement consommée par une unité de traitement du CO2 par liquéfaction, séparation gaz/liquide et pompage équivalente. En traitant la totalité du débit de CO2 et des inertes, le procédé selon l'invention permet aussi l'économie d'un équipement de séparation gaz/liquide. 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 pour former un mélange, b) on brûle un combustible avec ledit mélange, c) on traite les filmées de combustion pour condenser l'eau et entraîner des composés soufrés, et 1 o d) on liquéfie partiellement au moins une partie des fumées traitées obtenues à l'étape c), par compression et refroidissement, e) on comprime au moyen d'au moins une pompe polyphasique les fumées partiellement liquéfiées obtenue à l'étape d) de manière à obtenir un flux comprimé. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel une partie des fumées traitées obtenues à l'étape c) est utilisée pour être mélangée avec le flux riche en oxygène à l'étape a). 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel, à l'étape d), la liquéfaction partielle 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 40 C. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on effectue les opérations suivantes: on détend une partie du flux comprimé obtenu à l'étape e), puis on recycle ladite partie de flux en ajoutant ladite partie de flux détendu aux fumées partiellement liquéfiées obtenues à l'étape c), avant compression par la pompe polyphasique. 5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel on refroidit par échange de chaleur ladite partie de flux comprimé avant d'effectuer la détente. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel, on injecte les fumées comprimées dans un réservoir souterrain. 7) Procédé selon la revendication 6, dans lequel les fumées comprimées obtenues à l'étape e) sont transportées, puis injectées et séquestrées dans un réservoir souterrain. 8) Procédé selon la revendication 6, dans lequel les fumées comprimées obtenues à l'étape e) sont transportées, puis injectées dans un réservoir souterrain d'hydrocarbures en production afin d'améliorer la récupération d'hydrocarbures. 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pompe polyphasique est une pompe rotodynamique hélico-axial, comportant au moins une cellule de compression montées sur un même arbre et dont la géométrie est adaptée au pompage des mélanges d'une phase gazeuse et d'au moins une phase liquide. 10) Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel la pompe polyphasique comporte au moins une cellule de compression adaptée au pompage des mélanges d'une phase gazeuse et d'au moins une phase liquide, associée à au moins une cellule de compression classiquement utilisée pour le pompage ou la compression de fluides constitués d'une seule phase.