Brevet FR2928845A1 — publié le 20090925

B09-0458FR Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Système de capture et récupération de dioxyde de carbone, et procédé de récupération de dioxyde de carbone dans un tel système Invention de : ANAND Ashok Kumar JOSHI Chetan Madhav MARUTHAMUTHU Jegadeesan Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 18 mars 2008, sous le n° 12/076.386 Système de capture et récupération de dioxyde de carbone, et procédé de récupération de dioxyde de carbone dans un tel système Le dioxyde de carbone ou CO2 émis par les installations de production d'énergie est considéré comme un gaz à effet de serre qu'il faut récupérer pour le séquestrer. Dans la technique actuelle des installations combinées avec gazéification intégrée (ICGI), on préfère capturer le dioxyde de carbone avant la combustion. Dans les installations IGCI avec capture et récupération du CO2, on utilise actuellement un solvant physique, tel du Selexol� (marque de Union Carbide Corp.), dans un procédé d'absorption et désorption qui permet de capturer et de récupérer, à l'état de dioxyde de carbone, le carbone présent dans le combustible qu'est le gaz de synthèse. Plus précisément, le gaz de synthèse produit est envoyé, à sa sortie du gazéificateur, dans une série de réacteurs où s'effectue la réaction de déplacement du gaz à l'eau, conversion de monoxyde de carbone et d'eau en dioxyde de carbone et hydrogène. Le CO2 est ensuite capturé au moyen d'un solvant physique, tel du Selexol�, et il peut ensuite être récupéré par désorption. A l'issue de ce procédé, le CO2 récupéré se présente comme un produit gazeux sous faible pression, de 103,5 à 2070 kPa (15 à 300 psi). Afin de le stocker, il est nécessaire de le faire passer à l'état liquide et sous une forte pression, de l'ordre de 13,8 MPa (2000 psi). Par conséquent, on comprime le CO2 gazeux, puis on le fait refroidir au moyen de réfrigérants. Ceci permet de transformer ce gaz en un liquide qui est ensuite pompé sous haute pression. Mais la compression du dioxyde de carbone gazeux nécessite beaucoup d'énergie auxiliaire de compression, ce qui conduit à une baisse de la production nette et du rendement de l'installation. Sur la figure 1 est représenté un schéma d'une installation ICGI avec capture de CO2, conforme à la technique actuelle, qui comporte les dispositifs principaux suivants A) un gazéificateur ROG ("Radiant Only Gasifier") 10 fonctionnant sous haute pression, avec refroidissement brutal du gaz de synthèse au moyen d'eau pour maximiser la récupération de chaleur sensible ; B) une unité 12 de séparation d'air SA, qui produit l'oxygène pur à 95 % nécessaire pour la gazéification sous pression élevée, avec extraction partielle d'air en provenance de la turbine à gaz ; C) un réacteur catalytique 14 pour déplacement du gaz à l'eau, à étage unique ou à deux étages, qui produit un gaz riche, de manière prédominante, en CO2 et H2 ; D) une unité 16 de nettoyage du gaz produit, d'élimination de sulfure d'hydrogène et récupération du soufre, qui a pour fonction de capturer le CO2 présent dans le combustible et donc de séparer le carbone d'avec le combustible avant que celui-ci soit envoyé vers la turbine à gaz 18 ; E) et une unité de production d'énergie où est mis en oeuvre un cycle de production d'énergie par turbine à gaz alimentée avec du gaz de synthèse en qualité de combustible. Selon la technique actuelle, on utilise un système 20 d'élimination des gaz acides (EGA) à deux colonnes, pour éliminer sélectivement le sulfure d'hydrogène et le dioxyde de carbone du mélange issu de la réaction de déplacement du gaz à l'eau subie par le gaz de synthèse. Sur la figure 2, on a représenté un système EGA 20 à deux colonnes, du type actuellement en usage. La partie encerclée de ce schéma est celle qui concerne la récupération du CO2 capturé dans le solvant physique. Dans la technique actuelle, cette partie, comme le montre la figure 3, comporte trois étages 22, 24, 26, fonctionnant sous différentes valeurs de la pression, pour que le CO2 gazeux se sépare du solvant physique 28 par désorption éclair. Selon la présente invention, on se sert d'une pompe à liquide pour augmenter jusqu'à des valeurs beaucoup plus élevées la pression appliquée au dioxyde de carbone dissous dans le solvant physique, donc à l'état liquide, avant que celui-ci revienne à l'état gazeux par désorption sous une pression plus faible. Ainsi, un premier mode de réalisation de la présente invention est un système de capture de CO2 comportant un système d'élimination de gaz acides qui permet d'éliminer sélectivement du dioxyde de carbone d'un mélange issu de la réaction de déplacement du gaz à l'eau subie par un gaz de synthèse, lequel système d'élimination de gaz acides comprend : au moins un étage dédié à la séparation de CO2 d'avec un courant d'entrée constitué de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique ; une pompe qui permet d'augmenter la pression de ce courant de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique ; et un échangeur de chaleur qui permet d'élever la température de ce courant sous pression augmentée, en amont dudit ou desdits étage(s) de séparation de CO2 au nombre d'au moins un. Un autre mode de réalisation de la présente invention est un procédé de récupération de CO2 dans un système de capture de CO2 comportant un système d'élimination de gaz acides permettant d'éliminer sélectivement du dioxyde de carbone d'un mélange issu de la réaction de déplacement du gaz à l'eau subie par un gaz de synthèse dans un système de capture de CO2, lequel système d'élimination de gaz acides comprend au moins un étage dédié à la séparation de CO2 d'avec un courant d'entrée constitué de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique, lequel procédé de récupération de CO2 dans le système d'élimination de gaz acides comporte : le fait d'augmenter la pression du courant de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique ; et le fait d'élever la température de ce courant sous pression augmentée, en amont dudit ou desdits étage(s) de séparation de CO2 au nombre d'au moins un. La figure 1 est une représentation schématique d'une installation ICGI de capture de CO2. La figure 2 est une représentation schématique d'un système EGA pour une installation ICGI de capture de CO2 représentée sur la figure 1. La figure 3 est une représentation schématique de la partie encerclée de la figure 2, qui illustre la récupération classique de CO2 dans le système EGA représenté sur la figure 2. La figure 4 est une représentation schématique de la partie encerclée de la figure 2, qui illustre la récupération de CO2 dans un système EGA d'un mode de réalisation de la présente invention. La figure 5 est un schéma illustrant la récupération de CO2 dans un système EGA d'un autre mode de réalisation de la présente invention, avec pompage entre étages. La figure 6 est un graphique illustrant les économies d'énergie réalisées et les variations des taux de récupération aux divers étages, dans différents scénarios. La figure 7 est un graphique illustrant les économies d'énergie réalisées dans différents scénarios. L'efficacité d'une installation ICGI avec capture de CO2 est réduite en raison de la configuration du système EGA employé d'habitude, dont on a exposé les détails un peu plus haut en faisant référence à la figure 3. La cause première de ces médiocres performances est la baisse de la pression du courant de CO2, qui entraîne un renforcement des charges auxiliaires imposées au compresseur à CO2. Selon la présente invention, on propose, au niveau de la conception des systèmes, des solutions qui permettent de réduire ces charges auxiliaires dans un système EGA fonctionnant au Selexol�, ce qui permet d'améliorer le rendement net et le rapport thermique d'une installation ICGI. La présente invention repose sur la propriété que possède un solvant physique de libérer un gaz capturé à une vitesse relativement grande à température élevée, même si le solvant se trouve sous forte pression. Selon cette invention, on propose donc d'élever la pression appliquée au solvant et d'augmenter ensuite la température de celui-ci, par exemple en le faisant passer dans un jeu d'échangeurs de chaleur. Ceci garantit qu'une plus grande quantité de gaz est éliminée sous pression élevée, ce qui réduit les besoins en puissance auxiliaire au niveau du compresseur à CO2. La température requise pour que le gaz se sépare du solvant est directement proportionnelle à la pression sous laquelle se trouve le solvant. On peut atteindre une température de 93 °C (200 °F) au moyen d'une source d'énergie à faible pouvoir calorique, comme du gaz de synthèse partant pour un refroidissement d'équilibrage ou divers courants de compresseur refroidis dans des refroidisseurs complémentaires. Autrement, on peut employer diverses sources d'énergie à haute température disponibles au sein de l'installation pour réaliser la séparation du gaz sous des pressions beaucoup plus fortes, en remplaçant la source d'énergie à faible pouvoir calorique par une source d'énergie à fort pouvoir calorique, comme de la vapeur sous basse pression, de la vapeur sous haute pression, etc ... La modification du procédé de récupération de CO2 dans un système EGA, apportée conformément à un exemple de réalisation de l'invention, est schématiquement représentée sur la figure 4. Comme on peut le voir sur cette figure, la différence fondamentale qui existe entre le schéma d'une installation classique, donné en figure 3, et le schéma de ce mode de réalisation de l'invention, donné en figure 4, réside dans l'adjonction d'une pompe de surcompression et d'un réseau d'échangeurs de chaleur. Dans cet exemple de réalisation, la pompe de surcompression est une pompe centrifuge normale 130 qui sert à élever la pression du courant liquide d'entrée. Les échangeurs de chaleur 132, 134, 136 et 138 servent ensuite à chauffer le courant de solvant surcomprimé. La source principale de chaleur peut être toute source d'énergie à faible pouvoir calorique. Plus précisément, comme une température relativement basse est suffisante pour que le dioxyde de carbone capturé se sépare du solvant, on peut avoir recours à n'importe quelle source d'énergie à faible pouvoir calorique. Comme on l'a indiqué ci-dessus, même une température d'à peu près 93 °C (200 °F) conduit à une amélioration significative de la récupération de gaz sous haute pression. On se sert donc, conformément à l'invention, d'une pompe à liquide 130, en premier lieu pour augmenter la pression appliquée au liquide, constitué du solvant physique et du dioxyde de carbone dissous dedans, jusqu'à des valeurs beaucoup plus élevées, par exemple de 8,28 à 17,25 MPa (1200 à 2500 psi), avant la désorption du dioxyde de carbone en un produit gazeux. L'augmentation de la pression du dioxyde de carbone gazeux séparé, par rapport à ce que donne un système sans pompage de liquide, fait que l'on consomme beaucoup moins d'énergie de compression pour aboutir à l'état final de séquestration du dioxyde de carbone et que le coût des opérations est beaucoup plus faible. C'est ainsi que, grâce à la présente invention, on peut faire baisser de jusque 18 % les besoins d'énergie auxiliaire pour l'élimination de dioxyde de carbone, en remplaçant effectivement en partie la compression de gaz par la compression de liquide quand le dioxyde de carbone est à l'état dissous. Sur la figure 5 est représenté un autre mode possible de réalisation de récupération de CO2 dans un système EGA, dans lequel sont disposés, en plus de la pompe 230, des moyens 231, 233 de pompage entre étages et des moyens de chauffage associés 235, 237, au lieu de l'unique pompe de surcompression 130 utilisée dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4. Il est à noter que le système d'échanges thermiques comprend, en chaque point où il y a une pompe de surcompression, au moins un échangeur de chaleur 232, 234, 235, 237 en aval de cette pompe de surcompression et en amont de la cuve correspondante 222, 224, 226 de désorption par détente éclair, lesquels échangeurs de chaleur servent à élever la température du solvant surcomprimé dans une mesure correspondant à l'augmentation de pression du liquide entre les étages. Dans un système de l'invention, il est avantageux qu'il y ait, en aval d'au moins l'un desdits étages de séparation de dioxyde de carbone, un échangeur de chaleur 136, 138, 236, 238 servant à faire baisser la température du dioxyde de carbone récupéré. Dans un autre système de l'invention dans lequel il y a trois étages de cuves de détente éclair dédiées à la séparation du dioxyde de carbone, il est avantageux qu'il y ait, en aval du deuxième et du troisième de ces étages de cuves de détente éclair, un échangeur de chaleur servant à faire baisser la température du dioxyde de carbone récupéré. Dans un procédé de l'invention dans lequel il y a plusieurs étages de séparation de dioxyde de carbone et l'on augmente la pression du courant de solvant et l'on élève la température de ce courant en amont de chacun de ces étages de séparation de dioxyde de carbone, il est avantageux que le procédé comporte en outre le fait de faire baisser la température (136, 138, 236, 238) du dioxyde de carbone récupéré, en aval d'au moins l'un desdits étages de séparation de dioxyde de carbone. On a réalisé quelques simulations préliminaires pour évaluer les avantages apportés par l'invention décrite dans ce qui précède, au moyen du logiciel de simulation ASPEN HYSYS, commercialisé par la firme Aspen Technology Inc. de Cambridge, Massachusetts. Pour cette évaluation, on étudie divers scénarios pour trouver les variations et les avantages en fonction des variations des valeurs de pression aux trois étages. Dans tous les scénarios, les températures après chauffage sont maintenues aux mêmes valeurs. Tableau I : Scénarios d'évaluation* Cas de Scénario Scénario Scénario Scénario base 1 2 3 4 Pression de décharge 3533 3760 4485 5037 5520 de la pompe à (512) (545) (650) (730) (800) surcompression, en kPa (psi) Pression de l'étage I, 2035 2035 3070 3243 4105 en kPa (psi) (295) (295) (445) (470) (595) Pression de l'étage 1345 1345 1690 1863 2035 II, en kPa (psi) (195) (195) (245) (270) (295) Pression de l'étage 331 1000 983,9 982,2 977 III, en kPa (psi) (48) (145) (142,6) (142,35) (141,6) * les pressions indiquées sont des pressions absolues Les résultats observés lors de ces simulations sont représentés sur la figure 6. Plus précisément, sur la figure 6 ont été indiquées les économies d'énergie réalisées dans les divers scénarios, ainsi que les variations des pourcentages de récupération aux différents étages. Sur la figure 7 ont été indiqués les pourcentages d'économies de puissance auxiliaire obtenus dans les différents scénarios. On a décrit l'invention en se reportant à ce que l'on considère actuellement comme le mode de réalisation le plus pratique et le plus avantageux, mais il doit être bien entendu que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation ici décrit, mais qu'elle englobe au contraire dans sa portée diverses variantes et dispositions équivalentes. Par exemple, alors que dans l'exemple de réalisation de l'invention décrit ici, on a présenté trois étages de séparation de CO2, l'invention est aussi valide et efficace dans le cas d'un système de séparation de CO2 à un seul étage ou à plusieurs étages. En outre, ce procédé de séparation de CO2 pourrait aussi être mis à profit dans les installations de fabrication de combustibles liquides pour les activités de transport et/ou de nombreux produits chimiques, y compris l'hydrogène, les engrais ammoniacaux, etc à partir de charbon ou de matières premières hydrocarbonées similaires, où l'on se sert de techniques de gazéification et où la production d'énergie ou une installation ICGI n'est pas indispensable. Par conséquent, la présente invention ne se limite pas à la récupération de dioxyde de carbone dans une installation ICGI, mais bien plutôt, elle peut s'appliquer à tout système qui génère du dioxyde de carbone. Par ailleurs, bien que l'on ait cité précisément le Selexol� comme exemple de solvant de travail, on peut aussi se servir d'autres solvants liquides. Enfin, bien que l'on préfère, comme on l'a indiqué plus haut, se servir d'énergie à faible pouvoir calorique pour élever la température du courant de solvant de manière à ce que le CO2 s'en sépare, on peut dans certains cas disposer et/ou avoir besoin d'autres sources d'énergie, comme de la vapeur sous pression basse/intermédiaire ou sous haute pression, afin de maximiser le rendement de séparation de dioxyde de carbone. Listes d'éléments Gazéificateur 10 Unité de séparation d'air 12 Réacteur catalytique 14 pour déplacement du gaz à l'eau Système 16 d'élimination de sulfure d'hydrogène et de récupération de soufre Turbine à gaz 18 Système 20 d'élimination des gaz acides (EGA) Etages en pression, au nombre de trois, 22, 24, 26 Solvant physique 28 Pompe centrifuge 130 Echangeurs de chaleur 132, 134, 136, 138 Pompe 230 Pompage entre étages 231, 233 Echangeurs de chaleur 232, 234, 235, 237 Cuves de détente éclair 222, 224, 226 REVENDICATIONS 1. Système de capture et récupération de dioxyde de carbone, comportant un système d'élimination des gaz acides qui permet d'éliminer sélectivement du dioxyde de carbone d'un mélange issu de la réaction de déplacement du gaz à l'eau subie par un gaz de synthèse, dans lequel ledit système d'élimination des gaz acides comprend : ù au moins un étage (222, 224, 226) dédié à la séparation de dioxyde de carbone d'avec un courant d'entrée constitué de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique ; ù une pompe (130, 230, 231, 233) qui permet d'augmenter la pression sous laquelle se trouve ce courant de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique, ce qui donne un courant sous pression augmentée ; ù et un échangeur de chaleur (132, 134, 232, 234, 235, 237) qui permet d'élever la température de ce courant sous pression augmentée, en amont dudit ou desdits étage(s) de séparation de dioxyde de carbone au nombre d'au moins un. 2. Système conforme à la revendication 1, dans lequel ledit échangeur de chaleur est opérationnellement couplé à au moins une source d'énergie à faible pouvoir calorique, qui sert à chauffer ledit courant sous pression augmentée. 3. Système conforme à la revendication 1, dans lequel ledit système d'élimination des gaz acides comprend plusieurs étages de cuves de détente éclair dédiées à la séparation par désorption du dioxyde de carbone capturé d'avec ledit courant d'entrée constitué de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique. 4. Système conforme à la revendication 3, dans lequel il y a, en amont de chacune desdites cuves de détente éclair, une pompe servant à augmenter la pression du courant de solvant, et un échangeur de chaleur servant à élever la température du courant de solvant. 5. Système conforme à la revendication 1, dans lequel il y a, en aval d'au moins l'un desdits étages de séparation de dioxyde decarbone, un échangeur de chaleur 136, 138, 236, 238 servant à faire baisser la température du dioxyde de carbone récupéré. 6. Système conforme à la revendication 5, dans lequel il y a trois étages de cuves de détente éclair dédiées à la séparation du dioxyde de carbone, et il y a, en aval du deuxième et du troisième de ces étages de cuves de détente éclair, un échangeur de chaleur servant à faire baisser la température du dioxyde de carbone récupéré. 7. Procédé de récupération de dioxyde de carbone dans un système de capture de dioxyde de carbone comportant un système d'élimination des gaz acides qui permet d'éliminer sélectivement du dioxyde de carbone d'un mélange issu de la réaction de déplacement du gaz à l'eau subie par un gaz de synthèse, dans lequel ledit système d'élimination des gaz acides comprend au moins un étage (222, 224, 226) dédié à la séparation de dioxyde de carbone d'avec un courant d'entrée constitué de dioxyde de carbone dissous dans un solvant physique, lequel procédé de récupération de dioxyde de carbone dans ledit système d'élimination des gaz acides comporte les opérations suivantes : ù augmenter la pression (130, 230, 231, 233) du courant de dioxyde de carbone dissous dans le solvant physique, pour en faire un courant sous pression augmentée ; ù et élever la température (132, 134, 232, 234, 235, 237) de ce courant sous pression augmentée, en amont dudit ou desdits étage(s) de séparation de dioxyde de carbone au nombre d'au moins un. 8. Procédé conforme à la revendication 7, dans lequel ladite augmentation de pression comporte le fait de faire passer ledit courant dans une pompe centrifuge. 9. Procédé conforme à la revendication 7, dans lequel ladite élévation de température du courant sous pression augmentée comporte le fait de faire passer le courant de solvant dans un échangeur de chaleur opérationnellement couplé à au moins une source d'énergie à faible pouvoir calorique, pour chauffer ledit courant sous pression augmentée. 10. Procédé conforme à la revendication 7, dans lequel il y a plusieurs étages de séparation de dioxyde de carbone et l'on augmente la pression du courant de solvant et l'on élève la température de ce courant en amont de chacun de ces étages de séparation de dioxyde de carbone, et lequel procédé comporte en outre le fait de faire baisser la température (136, 138, 236, 238) du dioxyde de carbone récupéré, en aval d'au moins l'un desdits étages de séparation de dioxyde de carbone.