Brevet FR2947329A1 — publié le 20101231

La présente invention est relative à un procédé de réfrigération d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds dont les aromatiques, les composés organiques oxygénés, les métaux lourds dont le mercure ou sels de métaux lourds comprenant un premier et un second moyen de réfrigération de types différents. Il s'agit plus précisément de développer un procédé de purification du CO2 provenant d'une combustion, en particulier d'une oxy-combustion (combustion à l'oxygène pur ou avec un gaz plus pauvre en azote que l'air) à caractère industriel, permettant de le conditionner pour son transport et son stockage pour des différentes utilisations. Les gaz de combustion de combustibles fossiles et/ou de biomasse ou d'incinération de déchets ou les gaz issus de fours verriers peuvent contenir des métaux lourds tels que mercure, arsenic, fer, nickel sous forme métallique ou de sels..., des polluants organiques tels que alcools, aldéhydes, cétones, acides, esters et des composés type SOx ou NOx. Suivant leur origine, ils peuvent également contenir des constituants tels que azote, argon, oxygène, méthane, monoxide de carbone, hydrogène. Or, l'application capture et stockage du CO2 nécessite des moyens de purification pour éliminer au moins une partie des impuretés et/ou constituants cités plus haut, éléments préjudiciables au procédé d'enrichissement en CO2 lui-même et/ou au stockage de ce CO2 dans les couches géologiques appropriées. En effet, cette application capture et stockage du CO2 nécessite généralement un procédé d'enrichissement en CO2 réalisé au moins en partie de manière cryogénique. Dans un tel procédé d'enrichissement en CO2, les températures les plus froides atteintes sont généralement à l'intérieur de la fourchette de température -30/-60°C. De telles unités comprennent des échangeurs, des pots séparateurs liquide/vapeur, éventuellement des colonnes à distiller. De façon générale, lorsque des débits élevés, par exemple de plusieurs milliers de Nm3/h (mètre cube par heure dans les conditions standards) sont traités, il est classique dans les unités cryogéniques d'utiliser des équipements en aluminium, en particulier des échangeurs à plaques brasées en aluminium. Les échangeurs à plaques brasées en aluminium offrent des performances en matière de surface d'échange par volume d'échangeur et en efficacité thermique ainsi que des possibilités d'arrangement des fluides inégalées. Il est également souhaitable dans ce cas d'utiliser des pots séparateurs et d'éventuelles colonnes à distiller en aluminium afin en particulier de simplifier les jonctions entre équipements. A noter que pour les unités de petite taille, les coûts de fabrication de ces échangeurs ne se justifient généralement pas et qu'il est utilisé des échangeurs tubulaires classiques tels que les échangeurs TEMA constitués de faisceaux de tubes en parallèle placés dans une calandre. Dans leur configuration la plus simple, ces échangeurs tubulaires permettent les échanges thermiques entre un premier fluide circulant dans les tubes et un second tube circulant à l'extérieur des tubes, dans la calandre. La performance énergétique demandée à ces petites unités où c'est le coût qui prime sur la performance de l'appareil, ne justifie pas l'utilisation d'échangeurs en aluminium brasé. Cependant, la plupart des flux gazeux comprenant du CO2 contiennent des impuretés incompatibles avec une bonne utilisation des équipements en aluminium, en particulier des échangeurs à plaques en aluminium brasé. Parmi ces impuretés, on peut citer des hydrocarbures lourds tels des aromatiques, des composés organiques oxygénés, des métaux qui peuvent se déposer et se solidifier à des températures proches de la température ambiante et boucher les échangeurs à plaques en aluminium brasé dont la caractéristique, à l'inverse des échangeurs tubulaires, est d'avoir de faible diamètre hydraulique. Par diamètre hydraulique, on entend diamètre du tube qui aurait les mêmes caractéristiques hydraulique, en particulier la même perte de charge linéaire que celle de l'échangeur. Plus précisément, on va pour la suite retenir une définition communément admise à savoir que le diamètre hydraulique (ou équivalent) d'un élément considéré est égal à 4 fois la section de passage du fluide sur le périmètre mouillé par ledit fluide. Ainsi, pour un tube circulaire on obtient le diamètre, pour un tube de section carré, le côté et dans le cas d'un fluide circulant entre des plaques de grandes dimensions rapprochées, deux fois ledit espacement Pour illustrer ce propos, on peut considérer qu'un échangeur à plaques comporterait des milliers de tubes de quelques millimètres de diamètre alors qu'un échangeur tubulaire comporte quelques dizaines à quelques centaines de tubes de diamètre de quelques dizaines de millimètres. Il est aussi à noter qu'il existe des échangeurs à plaques non en aluminium, en particulier en acier, qui sont des intermédiaires entre les échangeurs en aluminium brasé et les échangeurs tubulaires. Ces échangeurs ont des diamètres hydrauliques qui peuvent être proches du centimètre et sont beaucoup moins sensibles au bouchage que les échangeurs en aluminium brasé. Au niveau performances, ils sont également intermédiaires entre les deux types d'échangeurs cités plus haut. On peut citer également parmi les contre indications à l'utilisation d'échangeur brasés, le 5 mercure qui peut former des amalgames avec l'aluminium et créer des phénomènes de corrosion bien connus. Une solution consiste à éliminer ces impuretés avant la partie séparation froide. On peut utiliser pour cela des procédés d'adsorption (physi- ou chimi-sorption), des lavages...de façon à atteindre des niveaux résiduels d'impuretés acceptables dans l'échangeur à plaques en 10 aluminium brasé. C'est la solution utilisée pour beaucoup de procédés cryogéniques tels que la séparation des gaz de l'air, la séparation de gaz de synthèse à l'amont desquelles on retire eau, CO2, méthanol et la plupart des traces d'impuretés. Cependant ces procédés peuvent être coûteux en investissement, en énergie en raison des 15 pertes de charge, des régénérations éventuelles à haute température... Partant de là, un but de la présente invention est de fournir un procédé de traitement d'un flux gazeux comprenant du CO2 par cryogénie, exempt des problèmes susmentionnés. Une solution de l'invention est un dispositif de réfrigération d'un flux gazeux comprenant : 20 - un premier moyen de réfrigération, ne comprenant pas d'échangeur à plaques en aluminium brasé, permettant d'abaisser la température du flux gazeux à une première température Tl 10 mm; - le premier moyen de réfrigération est un échangeur à plaques en acier, préférentiellement en acier inoxydable. La présente invention a également pour objet un procédé de réfrigération d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux lourds dont le mercure ou sels de métaux lourds..., mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention, et comprenant : - un premier refroidissement du flux gazeux à une première température Tl De façon préférentielle, tous les équipements (tuyauteries, colonnes à distiller) situés en aval de l'étape b) sont en aluminium. Le CO2, récupéré à l'étape d) à l'état liquide, peut-être transporté et/ou stocké. L'utilisation du premier moyen de réfrigération permet d'atteindre un premier niveau de température Ti tel que les niveaux résiduels d'impuretés en phase vapeur sont acceptables dans l'échangeur à plaques en aluminium brasé utilisé quant à lui pour atteindre le deuxième niveau de température nécessaire à l'enrichissement du CO2 et/ ou à sa liquéfaction. Dans le premier moyen de réfrigération, les impuretés peuvent être condensées, mises en solution dans les condensats existants, solidifiées et entrainées par le gaz ou le liquide...éventuellement se déposer et être éliminées périodiquement (lavage par un solvant, réchauffement partiel). Revendications1. Dispositif de réfrigération d'un flux gazeux comprenant : - un premier moyen de réfrigération, ne comprenant pas d'échangeur à plaques en aluminium brasé, permettant d'abaisser la température du flux gazeux à une première température Ti 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est apte à condenser au moins une des impuretés choisi parmi les hydrocarbures lourds, les 15 composés organiques oxygénés, les métaux lourds, plus particulièrement le mercure ou leurs sels. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération comprend un échangeur en acier carbone ou inox. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est un échangeur tubulaire. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est 25 un échangeur à plaques en acier. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est un échangeur de diamètre de passage équivalent > 10 mm. 30 7. Procédé de réfrigération d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux, plus 20particulièrement le mercure ou leurs sels, mettant en oeuvre un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, et comprenant : - un premier refroidissement du flux gazeux à une première température Ti 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lors du premier refroidissement au 10 moins une impureté est au moins partiellement supprimée par condensation et/ou solidification. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une séparation de phase entre le premier et le second refroidissement. 15 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la teneur en mercure dans le flux gazeux entrant dans le deuxième moyen de réfrigération est inférieure à 1 gg/Nm3, de préférence inférieure à 0,1 gg/Nm3 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le flux gazeux 20 correspond à des fumées d'oxycombustion. 12. Procédé de purification par distillation cryogénique d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux, plus particulièrement le mercure ou leurs sels, comprenant : 25 a) une étape de compression du flux gazeux à une pression supérieure à 10 bar abs ; b) une étape de réfrigération du flux gazeux comprimé réalisée selon le procédé de réfrigération tel que défini dans l'une des revendications 7 à 11 ; c) une étape de distillation cryogénique du flux gazeux comprimé et refroidi ; et d) une étape de récupération d'un flux gazeux, enrichi en CO2, à l'état liquide.