Brevet FR2956592A1 — publié le 20110826

L'invention concerne un procédé de traitement des fumées issues d'une combustion. Elle concerne plus particulièrement les procédés où des fumées produites par au moins une unité de combustion sont normalement conduites à travers un système de canalisations, soit vers une unité de traitement, par exemple une unité de capture du CO2 (dioxyde de carbone) contenu dans les fumées, soit vers au moins une cheminée d'évacuation, soit vers les deux. Cela peut arriver en cas d'arrêt volontaire ou de panne de l'unité de traitement des fumées, alors que l'unité de combustion, par exemple une chaudière destinée à produire de l'énergie, continue de fonctionner. Selon l'unité de combustion, le débit des fumées peut atteindre des valeurs très élevées. Un problème technique qui se pose dans tous les cas est de piloter l'écoulement vers l'unité de traitement ou vers la cheminée, en particulier durant les phases transitoires, par exemple pendant la période suivant un arrêt ou un démarrage de l'unité de traitement, ou consécutivement à un changement important dans le débit admis par l'unité de traitement. Ce problème est classiquement résolu à l'aide de vannes. On peut par exemple recourir à une vanne d'isolement de la cheminée d'évacuation et éventuellement une autre pour l'unité de traitement. Ces deux vannes peuvent être confondues en une vanne trois voies. Lorsque l'unité de traitement des fumées vient à s'arrêter, on ouvre l'accès vers la cheminée d'évacuation des fumées et, si nécessaire, on ferme l'accès vers l'unité de traitement. Inversement, quand l'unité de traitement démarre, alors que les fumées sont évacuées par la cheminée, on ferme l'accès à la cheminée et on ouvre l'accès vers l'unité de traitement. Malheureusement, ces ouvertures ou fermetures de vannes prennent un certain temps, en particulier pour des vannes de gros diamètre. En outre, ces ouvertures ou fermetures ne sont pas forcément idéalement synchronisées. Ceci peut créer des perturbations importantes dans l'écoulement des fumées, notamment une surpression en sortie de l'unité de combustion. A cette surpression est associée un risque que l'unité de combustion s'arrête, certains seuils de sécurité ayant été franchis. Le problème à résoudre est dès lors de réduire le risque d'arrêt d'une unité de combustion lorsque celle-ci débite soit dans une unité de traitement des fumées, soit dans une cheminée d'évacuation et que de débit de fumées vers ladite unité de traitement subit un changement important, par exemple consécutivement à un arrêt ou un démarrage de l'unité de traitement. A cette fin, la solution de l'invention porte sur un procédé de traitement des fumées issues d'une combustion, dans lequel on conduit lesdites fumées à traiter jusqu'à au moins une unité de traitement et vers au moins une cheminée débouchant dans l'air ambiant, caractérisé en ce que lesdites fumées sont en continuité fluide avec l'air ambiant via ladite cheminée et en ce que l'on maintient ladite cheminée en équilibre hydrostatique, de manière à empêcher, d'une part, lesdites fumées de sortir par ladite cheminée et, d'autre part, l'air ambiant d'atteindre ladite unité de traitement en passant par ladite cheminée. Les fumées dont il est question proviennent d'une combustion, c'est-à-dire par exemple d'une chaudière brûlant un ou plusieurs combustibles avec comme comburant de l'air et/ou des mélanges plus riche en oxygène que l'air. Selon un cas particulier, le ou les comburants sont de l'oxygène pur à au moins 99% en volume. Les fumées à traiter sont au moins une partie des fumées générées par la combustion. Une partie des fumées générées peut être recyclée ou ne pas être traitée, ou être traitée dans une autre unité de traitement. La combustion peut aussi se passer dans une turbine à gaz. Elle peut se passer dans un four industriel. Elle peut se passer dans une usine chimique, sidérurgique ou une cimenterie. L'unité de traitement des fumées peut réaliser une opération unitaire, comme un séchage, une compression ou une désulfuration, ou réaliser plusieurs opérations, par exemple celles typiquement associées à la capture du CO2 (notamment : séchage, compression, purification du CO2 par différentes technologies, en particulier la distillation cryogénique). En général, on conduit les fumées par un système de canalisations qui comprend notamment des tuyaux ou des carnots. Le diamètre hydraulique de ces éléments peut aller jusqu'à quelques mètres dans le cas d'une centrale électrique. Le système de canalisations peut comporter des éléments intermédiaires, par exemple des vannes, des débitmètres, ou des éléments de traitement physique ou chimique des fumées. Il peut être formé d'éléments en série ou en parallèle au sens de l'écoulement fluide, ou avoir une structure plus complexe. La composition et les paramètres des fumées peuvent avoir changé entre la combustion et l'unité de traitement des fumées. La cheminée est apte à servir à l'évacuation des fumées à traiter, notamment quand celles-ci ne sont pas, ou pas intégralement, traitées dans l'unité de traitement. Les fumées à traiter sont conduites à travers le système de canalisations vers au moins une unité de traitement. Les fumées sont également conduites vers au moins une cheminée susceptible de permettre l'évacuation de tout ou partie des fumées produites par la combustion. Le système de canalisations comprend en général une dérivation pour conduire les fumées jusqu'à au moins une cheminée. Dans le cas des centrales électriques, la hauteur de ces cheminées peut aller jusqu'à plusieurs centaines de mètres. Cette injection est en général réalisée grâce à un moyen de compression, du type ventilateur ou compresseur. On empêche les fumées à traiter de s'écouler par la cheminée. Dans un état de 10 fonctionnement « normal », toutes les fumées à traiter sont effectivement traitées et ne sont pas envoyées à la cheminée. Les fumées sont en continuité fluide avec l'air ambiant via la cheminée. Il n'y a pas d'obstacle matériel à l'écoulement par la cheminée. La partie du système de canalisations 15 conduisant à la cheminée est ouverte. En particulier, elle n'est donc pas fermée par une vanne. Il peut y avoir des vannes, mais celles-ci sont passantes, i.e. pas fermées. Ceci signifie que si les fumées étaient poussées vers la cheminée, elles pourraient s'écouler par cette cheminée. 20 On empêche les fumées à traiter de s'écouler par la cheminée en maintenant un équilibre hydrostatique suffisant dans cette cheminée. De même, on empêche l'air ambiant d'atteindre le système de canalisations via la cheminée. Celle-ci a une certaine extension verticale et la colonne de fluide qu'elle contient est soumise à la pesanteur, aux forces de pression au sommet et à la base de la cheminée, ainsi qu'à des frottements pariétaux et à de 25 la viscosité en cas de mouvement. L'équilibre hydrostatique n'a pas besoin d'être parfait, c'est-à-dire qu'on ne vise pas l'immobilité absolue de l'atmosphère interne de la cheminée. On considérera qu'on est à un équilibre hydrostatique suffisant quand il n'y pas de mouvement significatif du fluide dans la cheminée. Un mouvement est significatif s'il correspond à une sortie de fumée par la cheminée ou à une entrée d'air ambiant dans le 30 système de canalisations via la cheminée. Un avantage du blocage de la cheminée par équilibre hydrostatique sur le blocage par élément matériel du type vanne est que l'équilibre peut être rompu sans qu'il soit besoin de supprimer la cause matérielle du blocage. Ainsi, si l'unité de traitement des fumées vient 35 à s'arrêter ou à baisser en régime par suite d'une décision volontaire ou d'une panne, l'accumulation des fumées dans le système de canalisations va rompre l'équilibre hydrostatique sans création d'une surpression significative dans le système de canalisations. En particulier, il ne sera pas nécessaire d'ouvrir de vannes. La surpression permettant de5 rompre l'équilibre hydrostatique de la colonne de fluide est très inférieure à celle créée par l'ouverture lente, éventuellement mal synchronisée, d'un système de vannes. On comprend que le risque que l'arrêt ou la baisse de régime de l'unité de traitement des fumées entraîne un arrêt intempestif de la combustion est alors grandement réduit, voire annulé. En cas d'arrêt ou de baisse de régime de l'unité de traitement, l'équilibre hydrostatique se rompt et les fumées vont pénétrer dans la cheminée et s'évacuer. Le phénomène s'amplifie ensuite de lui-même par tirage. 10 Inversement, des fumées s'évacuant via la cheminée, le redémarrage, ou la montée en régime de l'unité de traitement des fumées permet de rétablir un équilibre hydrostatique dans la cheminée. Il n'est pas nécessaire de fermer de vanne. Il faut alors dans un premier temps vaincre les forces dues au tirage, la colonne fluide dans la cheminée étant chaude, et établir un équilibre mécanique. Puis, une fois que la colonne de fluide dans la cheminée est 15 refroidie, qu'un équilibre thermique s'est créé, on est ramené à la situation «normale» décrite plus haut. Par ailleurs, selon des modes de réalisation particuliers, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - on injecte un débit déterminé de fumées à traiter dans ladite unité de traitement. - ladite cheminée présentant une différence de pression hydrostatique entre sa base interne et l'air ambiant en un point de référence, on régule ledit débit déterminé de 25 fumées à traiter injecté dans ladite unité de traitement de manière à maintenir ladite différence de pression à une valeur de consigne. - une interface entre lesdites fumées à traiter et l'air ambiant s'étant établie dans ladite cheminée, on choisit ladite valeur de consigne de manière à ce que ladite interface se 30 situe sensiblement à mi-hauteur de ladite cheminée. - on évalue une ou plusieurs compositions gazeuses à un ou plusieurs endroits choisis parmi les possibilités suivantes : à différentes hauteurs de ladite cheminée et/ou en des points situés dans lesdites fumées à traiter entre ladite combustion et ladite unité 35 de traitement et/ou entre ladite combustion et ladite cheminée. 20 - lesdites fumées sont produites par une combustion à l'oxygène et ladite unité de traitement est une unité de purification du dioxyde de carbone contenu dans lesdites fumées. L'injection des fumées à traiter dans l'unité de traitement est en général réalisée grâce à un moyen de compression, du type ventilateur ou compresseur. La cheminée présente à tout moment une différence de pression hydrostatique, positive ou négative, entre sa base, c'est-à-dire l'endroit où les fumées sont potentiellement admises dans la cheminée, et un point de référence de pression hydrostatique. Ce point de référence doit être tel que la pression mesurée en ce point est indépendante de la composition et de l'état de la colonne de fluide dans la cheminée. Il peut s'agir par exemple d'un point situé à l'extérieur de la cheminée, au niveau de sa base, et soumis à la pression de l'air ambiant. On peut réguler cette différence de pression de la cheminée en agissant sur le débit de fumées à traiter admis dans l'unité de traitement. En effet, plus ce débit est élevé, plus la pression des fumées dans le système de canalisations baisse, en particulier au niveau de la base de la cheminée; la différence de pression hydrostatique de la cheminée est plus faible, ce qui a tendance à laisser pénétrer de l'air dans la cheminée. Inversement, plus ce débit injecté est faible, plus la pression monte à la base de la cheminée, plus la différence de pression hydrostatique de la cheminée est forte, ce qui a tendance à faire monter la colonne de fluide dans la cheminée, c'est-à-dire à y faire pénétrer des fumées. En pratique, lorsque la cheminée est sensiblement à l'équilibre hydrostatique, une interface gazeuse entre l'air ambiant et les fumées comprenant une grande quantité de CO2 et d'eau s'établit à une certaine hauteur dans la cheminée. Cette hauteur conditionne le poids de la colonne de fluide dans la cheminée, l'air et les fumées n'ayant a priori pas la même masse volumique. En régulant la différence de pression hydrostatique à une certaine valeur de consigne, on peut choisir à quelle hauteur s'établit l'interface. La valeur de consigne tient compte notamment de la composition et de la température des fumées et peut donc varier dans le temps. Le procédé peut comprendre la mesure ou l'évaluation de compositions gazeuses permettant au minimum de déterminer si l'on a affaire à de l'air ou des fumées. Ainsi, il est plus facile de contrôler la position de l'interface air/fumées dans la cheminée ou entre la combustion et l'unité de traitement et/ou la cheminée. Par purification du dioxyde de carbone contenu dans les fumées, on veut dire que l'unité de traitement est apte et destinée à retirer certains autres corps ou composés, de façon à obtenir un fluide plus concentré en CO2 que les fumées à traiter injectées dans l'unité de traitement. L'invention concerne également une installation de combustion et de traitement des fumées comprenant au moins : - au moins une unité apte à et conçue pour réaliser une combustion produisant des fumées et au moins une unité de traitement apte à et conçue pour traiter lesdites fumées ; et - un système de canalisations comprenant une partie apte à et conçue pour conduire lesdites fumées à traiter vers ladite unité de traitement et une autre partie apte à et conçue pour conduire lesdites fumées à traiter vers au moins une cheminée environnée par l'air ambiant ; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens de maintien d'un équilibre hydrostatique dans ladite cheminée, ladite partie apte à et conçue pour conduire lesdites fumées à traiter vers ladite cheminée étant ouverte, de manière à éviter, d'une part, que lesdites fumées à traiter ne sortent par ladite cheminée et, d'autre part, que ledit air ambiant ne pénètre dans ladite partie dudit système de canalisations apte à et conçue pour conduire lesdites fumées à traiter vers ladite unité de traitement. Par ailleurs, selon des modes de réalisation particuliers, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ladite cheminée, comportant une base interne, lesdits moyens de maintien d'un équilibre hydrostatique dans ladite cheminée comprennent un moyen de compression destiné à injecter lesdites fumées dans ladite unité de traitement avec un débit déterminé et un système d'asservissement dudit débit déterminé à la différence de pression entre un point situé dans ladite base interne de la cheminée et un point de référence situé dans ledit air ambiant. - l'installation comporte en outre des moyens aptes à et conçus pour évaluer une ou plusieurs compositions gazeuses à un ou plusieurs endroits choisis parmi les possibilités suivantes : à différentes hauteurs de ladite cheminée et/ou en des points dudit système de canalisations. - ladite unité apte à et conçue pour réaliser une combustion est connectée à au moins une source de gaz riche en oxygène apte et destiné à servir de comburant pour ladite combustion et que ladite unité de traitement apte à et conçue pour traiter lesdites35 fumées est une unité de purification du dioxyde de carbone contenu dans lesdites fumées. Le moyen de compression est en général un ventilateur, un compresseur ou un système composé de ventilateurs et/ou de compresseurs. Il doit être apte à modifier la pression hydrostatique dans le système de canalisation, en particulier à la base de la cheminée d'évacuation des fumées. Le but de la mesure ou de l'évaluation d'une ou plusieurs concentrations gazeuses 10 dans le système de canalisations et/ou la cheminée est de pouvoir discriminer entre air et fumées et donc de détecter la position de l'interface air/fumées. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures, parmi lesquelles : 15 - la figure 1 représente un dispositif de combustion et de traitement des fumées conforme à l'état de la technique ; - la figure 2 représente un exemple de dispositif de combustion et de traitement des fumées conforme à l'invention. 20 Sur la figure 1, on a représenté une installation produisant de l'énergie. Elle comprend une chaudière 1 qui brûle un combustible et produit des fumées la, ainsi qu'une unité 2 de traitement des fumées. Cette unité 2 est conçue pour purifier le CO2 contenu dans les fumées la. Un ventilateur 3, contrôlé en pression par un système 3a contrôle la pression dans la chambre de combustion de la chaudière 1. Des ventilateurs 4 et 5, contrôlés en débit, 25 permettent le cas échéant de recycler des fumées dans la chaudière 1. Un système de canalisations lb, 1c, 1d conduit les fumées la soit vers l'unité 2 de traitement, soit vers une cheminé 6 d'évacuation. Plus précisément, la partie lb, 1c du système de canalisations conduit vers l'unité 2. Une dérivation 1d conduit vers la cheminée 6. Elle est pourvue d'une vanne d'isolement 7. La branche le qui conduit vers l'unité 2 comporte une vanne 30 d'isolement 8. En fonctionnement normal, le compresseur 10 injecte les fumées à traiter dans l'unité 2. Il est contrôlé par un système l0a en fonction de la pression amont. La vanne 7 est fermée, de sorte que la cheminée 6 ne reçoit pas de fumées la. La vanne 8 est ouverte. En cas d'arrêt de l'unité 2 de traitement des fumées, éventuellement dû à un arrêt du compresseur 10, on ferme la vanne 8 et on ouvre simultanément la vanne 7. Du fait du 35 temps d'ouverture, la pression monte au point 9 et dans le système de canalisations à l'amont du point 9, ce qui peut entraîner un arrêt de la chaudière 1. Inversement, au redémarrage de l'unité 2, alors que les fumées la sont évacuées par 5 la cheminée 6, on ouvre la vanne 8 et on ferme la vanne 7. Le même problème peut se poser. Sur la figure 2, le compresseur 10 comporte un système d'asservissement l0a la différence de pression hydrostatique entre un point 10c situé dans la base 6d de la cheminée 6 et un point de référence l0b situé à l'extérieur de la cheminée. Ainsi, la partie ld du 10 système de canalisations menant à la cheminée restant ouverte (non fermée par une vanne 7), il est possible de réguler la différence de pression hydrostatique vue par la cheminée 6 en jouant sur le débit injecté par le compresseur 10 dans l'unité 2 de traitement des fumées, de sorte que l'air ambiant 6b ne rentre pas dans le système de canalisations lb, 1c, 1d et que les fumées la ne sortent pas par la cheminée 6. 15 Il se forme dans la cheminée une interface gazeuse 6c entre l'air ambiant 6b et les fumées la. En régulant la différence de pression hydrostatique de la cheminée 6, on peut faire monter ou descendre l'interface 6c. En pratique, on la stabilise de préférence à mi-hauteur de la cheminée 6, de façon à minimiser les entrées-sorties de gaz via la cheminée 6. 20 De manière complémentaire, on peut placer des systèmes 11 d'évaluation de la concentration en CO2 à différentes hauteurs de la cheminée 6, de manière à localiser l'interface 6c et à corriger la consigne de différence de pression hydrostatique de la cheminée 6. Une différence plus faible fait descendre l'interface 6c, tandis qu'une 25 différence plus forte la fait remonter. L'installation peut aussi comporter des moyens 12 d'évaluation de la composition gazeuse dans les parties lb, 1c et/ou 1d du système de canalisation, pour détecter une entrée d'air ambiant 6b. En cas d'arrêt ou de baisse de régime de l'unité 2, l'équilibre hydrostatique de la cheminée 6 est rompu et le trop plein de fumées la peut s'écouler via la cheminée 6 sans apparition d'une surpression significative en amont. L'unité de combustion 1 est donc protégée lorsque les fumées, en tout ou partie, doivent être évacuées sans traitement. 30 Revendications1. Procédé de traitement des fumées (la) issues d'une combustion (1), dans lequel on conduit lesdites fumées (la) à traiter jusqu'à au moins une unité de traitement (2) et vers au moins une cheminée (6) débouchant dans l'air ambiant (6b), caractérisé en ce que lesdites fumées (la) sont en continuité fluide avec l'air ambiant (6b) via ladite cheminée (6) et en ce que l'on maintient ladite cheminée (6) en équilibre hydrostatique, de manière à empêcher, d'une part, lesdites fumées (la) de sortir par ladite cheminée (6) et, d'autre part, l'air ambiant (6b) d'atteindre ladite unité de traitement (2) en passant par ladite cheminée (6). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte un débit déterminé de fumées (la) à traiter dans ladite unité de traitement (2). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, ladite cheminée (6) présentant une différence de pression hydrostatique entre sa base interne (10c) et l'air ambiant (6b) en un point de référence (10b), on régule ledit débit déterminé de fumées (la) à traiter injecté dans ladite unité de traitement (2) de manière à maintenir ladite différence de pression à une valeur de consigne. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que, une interface (6c) entre lesdites fumées (la) à traiter et l'air ambiant (6b) s'étant établie dans ladite cheminée (6), on choisit ladite valeur de consigne de manière à ce que ladite interface (6c) se situe sensiblement à mi-hauteur de ladite cheminée (6). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on évalue une ou plusieurs compositions gazeuses à un ou plusieurs endroits (9, 10b, 10c, 1 c) choisis parmi les possibilités suivantes : à différentes hauteurs de ladite cheminée (6) et/ou en des points situés dans lesdites fumées (la) à traiter entre ladite combustion (1) et ladite unité de traitement (2) et/ou entre ladite combustion (1) et ladite cheminée (6). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites fumées (la) sont produites par une combustion (1) à l'oxygène et que ladite unité de traitement (2) est une unité de purification du dioxyde de carbone contenu dans lesdites fumées (la). 7. Installation de combustion et de traitement des fumées (la) comprenant au moins : - au moins une unité (1) apte à et conçue pour réaliser une combustion produisant des fumées (la) et au moins une unité de traitement (2) apte à et conçue pour traiter lesdites fumées (la) ; et - un système de canalisations (lb, 1c, 1d) comprenant une partie (lb, 1c) apte à et conçue pour conduire lesdites fumées (la) à traiter vers ladite unité de traitement (2) et une autre partie (1 d) apte à et conçue pour conduire lesdites fumées (la) à traiter vers au moins une cheminée (6) environnée par l'air ambiant (6b) ; caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens (10, l0a) de maintien d'un équilibre hydrostatique dans ladite cheminée (6), ladite partie (1 d) apte à et conçue pour conduire lesdites fumées (la) à traiter vers ladite cheminée (6) étant ouverte, de manière à éviter, d'une part, que lesdites fumées (la) à traiter ne sortent par ladite cheminée (6) et, d'autre part, que ledit air ambiant (6b) ne pénètre dans ladite partie (lb, lc) dudit système de canalisations (lb, lc, ld) apte à et conçue pour conduire lesdites fumées (la) à traiter vers ladite unité de traitement (2). 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que, ladite cheminée (6) comportant une base interne (6d), lesdits moyens (10, l0a) de maintien d'un équilibre hydrostatique dans ladite cheminée (6) comprennent un moyen de compression (10) destiné à injecter lesdites fumées (la) dans ladite unité de traitement (2) avec un débit déterminé et un système (10a) d'asservissement dudit débit déterminé à la différence de pression entre un point (10c) situé dans ladite base interne (6d) de la cheminée (6) et un point de référence (l0b) situé dans ledit air ambiant (6b). 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens (11, 12) aptes à et conçus pour évaluer une ou plusieurs compositions gazeuses à un ou plusieurs endroits (9, 10b, 10c, 1c) choisis parmi les possibilités suivantes : à différentes hauteurs de ladite cheminée (6) et/ou en des points dudit système de canalisations (lb, lc, ld). 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que ladite unité (1) apte à et conçue pour réaliser une combustion est connectée à au moins une source de gaz riche en oxygène apte et destiné à servir de comburant pour ladite combustion et que ladite unité de traitement (2) apte à et conçue pour traiter lesdites fumées (la) est une unité de purification du dioxyde de carbone contenu dans lesdites fumées (la).