Brevet FR2952833A1 — publié le 20110527

La présente invention concerne une intégration d'une installation de production de fonte, une unité d'adsorption (séparant H2-FCO vs CO2 principalement), une unité de séparation cryogénique et une turbine à gaz et le procédé d'opération d'une telle intégration. Toutes les puretés mentionnées sont des puretés molaires. La technologie principale utilisée pour récupérer du dioxyde de carbone est l'absorption chimique, qui permet de produire le dioxyde de carbone à des basses pressions (proche de la pression atmosphérique). Cette technologie consomme beaucoup de vapeur, est sensible à la corrosion et pose des io problèmes de moussage. La technologie d'adsorption [PSA (Adsorption avec Basculement de Pression ou Pressure Swing Adsorption) or VPSA (Adsorption avec Basculement de Pression à Vide ou Vacuum Pressure Swing Adsorption) or VSA (Adsorption avec Basculement à Vide ou Vacuum Swing Adsorption)] est 15 une alternative qui permet la séparation d'un débit d'alimentation contenant entre 20 et 50% de dioxyde de carbone, de l'hydrogène et du monoxyde de carbone par rapport au débit d'alimentation en : - un gaz purifié ayant un contenu en CO2 de moins de 5%, enrichi en hydrogène et en monoxyde de carbone et de l'autre côté 20 - un gaz résiduaire contenant typiquement plus de 60% de CO2 mais moins de 90% appauvri en hydrogène et en monoxyde de carbone par rapport au débit d'alimentation. La technologie d'adsorption sert principalement dans des procédés où un gaz réducteur doit être épuré en dioxyde de carbone pour être recyclé. Ceci est 25 particulièrement le cas de procédés de fabrication de fonte tels que FINEX®, COREX®, le procédé à haut fourneau dit « Full Oxygen » développé par le consortium HAUT FOURNEAU TOUT OXYGENE, et plus généralement la technologie pourrait s'appliquer à tout procédé de type DRI ou réduction en fusion (« smelting reduction »). 30 L'usage d'une unité de séparation cryogénique en aval d'une d'unité de (V)PSA est connu de FR-A-2872890. La présente invention vise à intégrer une unité (V)PSA, une unité de séparation cryogénique et une turbine à gaz. Le principe est d'utiliser l'unité de séparation cryogénique pour produire un produit riche en CO2, contenant typiquement plus de 90% de CO2, de préférence plus de 95%, voire plus de 99% et un produit appauvri en CO2 contenant moins de 40% de CO2, de préférence moins de 30% de CO2 qui sera envoyé à une turbine à gaz. Les avantages de l'invention sont : - un coût d'investissement bas de récupération de dioxyde de carbone, puisque l'unité produisant le débit à épurer en dioxyde de carbone a typiquement besoin d'une épuration de toutes les manières ; io - un coût d'opération réduit pour la même raison ; - l'efficacité globale (avec ce schéma on n'a plus besoin de détendre le débit pauvre en dioxyde de carbone provenant de la boîte froide qui est typiquement à 25 bars, cette énergie de compression étant valorisée dans la turbine à gaz. 15 Selon un objet de l'invention, il est prévu une intégration d'une unité de production de fonte, une unité de séchage et d'adsorption et une unité de séparation cryogénique , l'appareil intégré comprenant un premier compresseur pour comprimer un gaz d'alimentation humide provenant de l'unité de production de fonte, ce gaz d'alimentation contenant du dioxyde de carbone, de 20 l'hydrogène et du monoxyde de carbone, une conduite pour envoyer le gaz d'alimentation comprimé dans le premier compresseur à l'unité de séchage et d'adsorption, une unité de séchage du gaz d'alimentation éventuellement constituée par l'unité d'adsorption, un deuxième compresseur pour comprimer un premier gaz, provenant de l'unité de séchage et d'adsorption, le premier gaz 25 étant enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en hydrogène et monoxyde de carbone par rapport au gaz d'alimentation, des moyens pour envoyer au moins une partie du premier gaz comprimé par le deuxième compresseur à l'unité de séparation cryogénique, des moyens pour produire un gaz riche en dioxyde de carbone de l'unité de séparation cryogénique, une turbine à gaz et des moyens 30 pour envoyer au moins une partie d'un deuxième gaz appauvri en dioxyde de carbone par rapport au premier gaz de l'unité de séparation cryogénique à la turbine à gaz. L'unité de production de fonte peut être un haut-fourneau, une unité de type FINEX ®, COREX ® ou un haut fourneau tout oxygène (tel que développé par le consortium ULCOS). Les deux procédés FINEX ® et COREX ® sont décrits dans Techniques de l'Ingénieur dans un article de Jacques Astier. Selon d'autres caractéristiques optionnelles, l'installation peut comprendre : i) des moyens pour épurer le gaz riche en dioxyde de carbone en H2S et/ou CO et/ou ii) des moyens pour liquéfier le gaz riche en dioxyde de carbone et/ou iii) des moyens pour comprimer le gaz riche en dioxyde de carbone ; - une capacité tampon io i) entre l'unité d'adsorption et le deuxième compresseur et/ou ii) entre l'unité de séparation cryogénique et la turbine à gaz ; - un moyen pour détendre ou comprimer le deuxième gaz de l'unité de séparation cryogénique en amont la turbine à gaz ; - la turbine à gaz est adaptée à entraîner au moins un des 15 compresseurs ; - un échangeur et des moyens pour envoyer le premier gaz, de préférence en aval du deuxième compresseur, et le deuxième gaz à l'échangeur afin de chauffer le deuxième gaz ; - une unité de séchage en aval de l'unité d'adsorption et en amont de 20 l'unité de séparation cryogénique pour sécher le premier gaz et des moyens pour envoyer au moins une partie du deuxième gaz réchauffé dans l'échangeur à l'unité de séchage pour la régénérer ; - des moyens pour envoyer la partie du deuxième gaz ayant servi à la régénération à la turbine à gaz ; 25 - une conduite pour envoyer un gaz de substantiellement la même composition que le gaz d'alimentation de l'unité de production de fonte directement à la turbine à gaz, éventuellement après compression dans le premier compresseur ; - des moyens pour régler la composition d'un gaz destiné à ou provenant 30 de l'unité d'adsorption ou l'unité de séparation cryogénique ou la turbine à gaz en y rajoutant un gaz contenant du dioxyde de carbone. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé d'intégration d'une unité de production de fonte, d'une unité d'adsorption et d'une unité de séparation cryogénique dans lequel on envoie un gaz d'alimentation humide contenant du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et de hydrogène de l'unité de production à un premier compresseur, on le comprime dans le premier compresseur à partir d'au plus 10 bars abs, voire à partir d'au plus 5 bars abs, on envoie au moins une partie du gaz comprimé du premier compresseur à une unité de séchage et d'adsorption, on comprime au moins une partie d'un premier gaz, enrichi en dioxyde de carbone mais appauvri en monoxyde de carbone et en hydrogène, provenant de l'unité d'adsorption dans un deuxième compresseur pour former un premier gaz comprimé, on envoie au moins une partie du premier gaz comprimé à une unité de séparation io cryogénique pour la séparer, on extrait un gaz riche en dioxyde de carbone de l'unité de séparation cryogénique contenant au moins 90% mol. de dioxyde de carbone, de préférence au moins 95% mol., voire 99% mol. et on envoie au moins une partie d'un deuxième gaz appauvri en dioxyde de carbone, par rapport au premier gaz, de l'unité de séparation cryogénique à une turbine à 15 gaz. L'usage d'une unité de séparation cryogénique permet d'un côté de produire du CO2 à haute pureté qui peut être utilisé pour l'EOR, la séquestration et de l'autre côté de produire un gaz pauvre en CO2 (avec par exemple environ 30% de CO2) qui a un pouvoir calorifique nettement supérieur à un gaz de 20 queue de PSA (70% de CO2) qui est plus favorable en terme d'utilisation dans une turbine à gaz. De préférence : - la température de sortie du premier compresseur est supérieure à 90°C, de préférence supérieure à 190°C voire supérieure à 350°C ; 25 - on recycle à une unité de production fournissant le gaz d'alimentation de l'unité d'adsorption un gaz appauvri en dioxyde de carbone mais enrichi en hydrogène et en monoxyde de carbone produit par l'unité d'adsorption. La Figure 1 montre une unité de production de fonte 1, telle qu'une unité de type FINEX ®, COREX ® ou Haut fourneaux tout oxygène, qui produit un 30 débit de gaz sidérurgique humide 3 contenant du dioxyde de carbone (typiquement environ 30 à 40% mol.), de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Au moins une partie de ce débit 3 est comprimé dans un premier compresseur 2 à partir d'une pression inférieure à 10 bars, souvent à partir de la pression atmosphérique puis envoyé à une unité d'adsorption 6 de type PSA (ou VSA ou VPSA) qui produit un débit appauvri en dioxyde de carbone mais enrichi en monoxyde de carbone et en hydrogène 5 par rapport au débit 3, contenant moins que 5% mol. de dioxyde de carbone (préférentiellement moins de 3% mol.) et un débit 7 enrichi en dioxyde de carbone contenant plus que 60% mol. de dioxyde de carbone mais appauvri en monoxyde de carbone et en hydrogène par rapport au débit 3. L'unité de d'adsorption 6 est de préférence une unité de séchage et d'adsorption telle que décrite dans W0-2006/034765 ou US-A-5897686 où du gel de silice sèche le gaz en amont de l'adsorption. Le débit 5 est renvoyé à l'unité de production 1. Le débit 7 est comprimé dans un io deuxième compresseur 9 pour former un débit 11 et envoyé à une unité de séchage (non-illustrée) et ensuite à une unité de séparation cryogénique 13. Cette unité de production cryogénique 13 produit un gaz 15 appauvri en dioxyde de carbone par rapport au débit 11 et un gaz riche en dioxyde de carbone contenant au moins 90% de dioxyde de carbone 18. Le débit de gaz 15 15 est éventuellement envoyé à la chambre de combustion d'une turbine à gaz 17. Eventuellement un débit 7A riche en dioxyde de carbone d'une source autre que l'unité 1 peut être mélangé au débit 7. Ceci peut permettre, selon la pureté du débit provenant de l'autre source, de maintenir constante la pureté du 20 débit envoyé à l'unité cryogénique, en mélangeant un débit plus riche en dioxyde de carbone que le débit 7 quand la teneur en dioxyde de carbone du débit 7 est réduite. En variante, seule une partie du débit 3 est envoyée à l'unité d'adsorption 6, le reste 3A, de préférence la moitié, étant envoyé directement à 25 la turbine à gaz 17. La Figure 2 montre une unité de production de fonte 1, telle qu'une unité de type FINEX ®, COREX ® ou HAUT FOURNEAU TOUT OXYGENE, qui produit un débit de gaz résiduaire 3 contenant du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Ce débit 3 est comprimé dans un 30 premier compresseur 2 à partir d'une pression inférieure à 10 bars, souvent à partir de la pression atmosphérique puis envoyé à une unité d'adsorption 6 de type PSA (ou VSA ou VPSA) qui produit un débit appauvri en dioxyde de carbone 5, contenant moins que 5% mol. de dioxyde de carbone mais enrichi en hydrogène et en monoxyde de carbone et un débit 7 enrichi en dioxyde de carbone contenant plus que 60% mol. de dioxyde de carbone mais appauvri en hydrogène et en monoxyde de carbone. Ce débit 7 est comprimé dans un deuxième compresseur 9 pour former un débit 11 à 30 bar et 210°C qui se refroidit dans un échangeur 23 et dans un refroidisseur 25 avant d'être envoyé s à une unité de séchage 27 et ensuite à une unité de séparation cryogénique 13. Cette unité de production cryogénique 13 produit un gaz 15 appauvri en dioxyde de carbone par rapport au débit 11 et un gaz riche en dioxyde de carbone contenant au moins 90% de dioxyde de carbone 18. Le débit de gaz 15 est envoyé à l'échangeur 23 d'où il sort à 200°C. Ensuite il est divisé en io deux, une fraction 19 étant envoyée à l'unité de séchage 27 pour régénérer les sécheurs. La fraction 19 saturée en eau est ensuite envoyée à la chambre de combustion d'une turbine à gaz 17 Le reste 16 du débit 15 contourne l'unité de séchage et est envoyé directement à la turbine à gaz comme débit 21. Eventuellement comme pour la Figure 1, un débit riche en dioxyde de 15 carbone d'une source autre que l'unité 1 peut être mélangé au débit 7. Ceci peut permettre, selon la pureté du débit provenant de l'autre source, de maintenir constante la pureté du débit envoyé à l'unité cryogénique, en mélangeant un débit plus riche en dioxyde de carbone que le débit 7 quand la teneur en dioxyde de carbone du débit 7 est réduite. 20 En variante, comme pour la Figure 1, seule une partie du débit 3 est envoyée à l'unité d'adsorption 6, le reste, de préférence la moitié, étant envoyé directement à la turbine à gaz 17. - Une unité de séparation cryogénique est une unité de séparation dans lequel au moins un fluide du procédé descend à une température 25 inférieure à -10°C. Cette unité peut produire du CO2 sous forme gazeuse à une ou plusieurs pressions ou sous forme liquide. - Une unité d'adsorption de type VPSA ou VSA est unité basée sur un procédé cyclique comportant au moins une phase d'adsorption sur un solide adsorbant, et une phase de régénération pendant laquelle la pression est 30 inférieure à la pression atmosphérique. - Une unité d'adsorption de type PSA est une unité basée sur un procédé cyclique comportant au moins une phase d'adsorption sur un solide adsorbant à une pression supérieure à la pression atmosphérique, et une Revendications1. Intégration d'une unité de production de fonte (1), une unité de séchage et d'adsorption (6) et une unité de séparation cryogénique (13), l'appareil intégré comprenant un premier compresseur pour comprimer un gaz d'alimentation humide provenant de l'unité de production de fonte, ce gaz d'alimentation contenant du dioxyde de carbone, de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, une conduite pour envoyer le gaz d'alimentation comprimé dans le premier compresseur à l'unité de séchage et d'adsorption, un io deuxième compresseur (9) pour comprimer un premier gaz provenant de l'unité de séchage et d'adsorption, le premier gaz étant enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en hydrogène et monoxyde de carbone par rapport au débit d'alimentation, des moyens pour envoyer au moins une partie du premier gaz comprimé par le deuxième compresseur à l'unité de séparation cryogénique, 15 des moyens pour produire un gaz riche en dioxyde de carbone de l'unité de séparation cryogénique, une turbine à gaz (17) et des moyens pour envoyer au moins une partie d'un deuxième gaz appauvri en dioxyde de carbone par rapport au premier gaz de l'unité de séparation cryogénique à la turbine à gaz. 20 2. Installation selon la revendication 1 comprenant i) des moyens pour épurer le gaz riche en dioxyde de carbone en H2S et/ou CO et/ou ii) des moyens pour liquéfier le gaz riche en dioxyde de carbone et/ou iii) des moyens pour comprimer le gaz riche en dioxyde de carbone. 25 3. Installation selon l'une des revendications 1 et 2 comprenant une capacité tampon i) entre l'unité d'adsorption (6) et le deuxième compresseur (9) et/ou ii) entre l'unité de séparation cryogénique (13) et la turbine à gaz (17). 4. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant un moyen pour détendre ou comprimer le deuxième gaz de l'unité de séparation cryogénique (13) en amont la turbine à gaz (17). 30 . Installation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la turbine à gaz (17) est adaptée à entraîner au moins un des compresseurs (9). s 6. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant un échangeur (23) et des moyens pour envoyer le premier gaz, de préférence en aval du deuxième compresseur (9), et le deuxième gaz à l'échangeur afin de chauffer le deuxième gaz. 7. Installation selon la revendication 6 comprenant une unité de séchage (27) en aval de l'unité d'adsorption (6) et en amont de l'unité de séparation cryogénique (13) pour sécher le premier gaz et des moyens pour envoyer au moins une partie du deuxième gaz réchauffé dans l'échangeur à l'unité de séchage pour la régénérer. 8. Installation selon la revendication 7 comprenant des moyens pour envoyer la partie du deuxième gaz ayant servi à la régénération à la turbine à gaz (17). 9. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite (3A) pour envoyer un gaz de substantiellement la même composition que le gaz d'alimentation de l'unité de production de fonte (1) directement à la turbine à gaz (17), éventuellement après compression dans le premier compresseur (2). 10. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour régler la composition d'un gaz destiné à ou provenant de l'unité d'adsorption (6) ou l'unité de séparation cryogénique (13) ou la turbine à gaz (17) en y rajoutant un gaz contenant du dioxyde de carbone. 11. Procédé d'intégration d'une unité de production de fonte (1) ,d'une unité d'adsorption (6) et d'une unité de séparation cryogénique (13) dans lequel on envoie un gaz d'alimentation humide contenant du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et de hydrogène de l'unité de production àun premier compresseur (2), on le comprime dans le premier compresseur à partir d'au plus 10 bars abs, voire à partir d'au plus 5 bars abs , on sèche et on épure au moins une partie du gaz comprimé une unité de séchage et d'adsorption (6), on comprime au moins une partie d'un premier gaz, enrichi en dioxyde de carbone mais appauvri en monoxyde de carbone et en hydrogène, provenant de l'unité de séchage et d'adsorption dans un deuxième compresseur (9) pour former un premier gaz comprimé, on envoie au moins une partie du premier gaz comprimé à une unité de séparation cryogénique pour la séparer, on extrait un gaz riche en dioxyde de carbone de l'unité de io séparation cryogénique contenant au moins 90% mol. de dioxyde de carbone, de préférence au moins 95% mol., voire 99% mol. et on envoie au moins une partie d'un deuxième gaz appauvri en dioxyde de carbone, par rapport au premier gaz, de l'unité de séparation cryogénique à une turbine à gaz (17). 15 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel la température de sortie du premier compresseur (9) est supérieure à 90°C, de préférence supérieure à 190°C voire supérieure à 350°C. 13. Procédé selon les revendications 11 et 12 comprenant l'étape de 20 recycler à une unité de production (1) fournissant le gaz d'alimentation de l'unité d'adsorption un gaz (5) appauvri en dioxyde de carbone mais enrichi en hydrogène et en monoxyde de carbone par rapport au gaz d'alimentation et produit par l'unité d'adsorption.