Brevet FR2969263A1 — publié le 20120622

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil intégrés de compression, voire séparation, d'air et de production d'un fluide riche en dioxyde de carbone. Un fluide riche en dioxyde de carbone contient au moins 30% mol. de dioxyde de carbone ou au moins 60% mol. de dioxyde de carbone, voire au moins au moins 80% mol. de dioxyde de carbone, ou même au moins 95% mol. de dioxyde de carbone. Afin de réduire les émissions de 002 d'origine humaine dans l'atmosphère, des procédés de capture du 002 générés dans un procédé donné sont développés. Il s'agît d'extraire le 002 d'un gaz généré par le procédé, éventuellement de le purifier et enfin, en général, de le comprimer afin de le transporter dans une canalisation. Notons immédiatement qu'une autre voie pour transporter le 002 est de le liquéfier et de le charger sur des bateaux conçus pour cet usage. Certains cycles de liquéfaction du 002 passent par la compression du 002 à une pression telle qu'il peut être condensé à une température proche de l'ambiante. Le liquide est ensuite détendu à la pression de transport (typiquement entre 6 et 10 bars a). L'invention sera alors applicable à ce type d'usine. Notons de plus qu'en dépit des différences importantes entre les procédés de capture du 002 (en post-combustion, on peut citer le lavage aux amines ou à l'ammoniaque ; il y a aussi la gazéification du combustible, les procédés de boucles chimiques, les procédés sidérurgiques, cimenteries ou tout procédé industriel utilisant de l'air), quasiment tous comportent une compression du 002 relativement pur et sont donc susceptibles de valoriser l'invention décrite ci-après. Les pressions de fourniture du 002 dans les canalisations sont en général supérieures à 150 bars abs. Dans l'état de l'art, le 002 est comprimé jusqu'à la pression finale dans un compresseur centrifuge (étant donné les débits considérés dans les applications de capture du 002 sur des usines). Un aspect de l'invention se base sur le fait qu'aux environs de 60 bars, le 002 peut être condensé à une température proche de l'ambiante. Une fois sous une forme condensée (la densité est multipliée par un facteur 3 à 500), pomper le CO2 consomme beaucoup moins d'énergie que de comprimer la même quantité sous la forme gazeuse. Par la suite, on désignera par « compression » le moyen d'élever la pression d'un gaz et par « pompage » le moyen d'élever la pression d'un fluide possédant une densité supérieure à 500 kg/m3, ce qui est la limite basse de densité acceptable pour des pompes On assimile aussi les termes de « flux riche en CO2 » et de « CO2 » Notons que, à composition donnée, la pression à laquelle il faut comprimer un gaz pour le condenser à une température donnée croît avec la température. De même à température donnée, la pression de condensation croît avec la teneur en incondensables (éléments plus volatiles que le CO2, par exemple CO, H2, 02, N2, Ar, NO). Un aspect de l'invention consiste à refroidir le fluide riche en CO2 sortant d'un procédé industriel, par exemple, de manière à condenser une partie de l'eau qu'il contient, afin de diminuer l'énergie de compression du CO2. Un aspect facultatif de l'invention consiste donc à réduire les coûts opératoires en complétant la compression avec une pompe après avoir condensé le flux riche en CO2. Le recyclage de l'eau froide utilisée pour refroidir le fluide riche en CO2 permet au procédé d'opérer en autonomie et de ne pas consommer de l'eau. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé intégré de compression d'air et de production d'un fluide riche en dioxyde de carbone comprenant les étapes de : i) mettre en contact de l'air destiné à un compresseur d'air avec de l'eau pour produire de l'air humidifié, voire saturé en eau, et de l'eau refroidie ii) comprimer l'air humidifié dans le compresseur pour produire de l'air comprimé, iii) utiliser au moins une partie de l'air comprimé ou un fluide produit en séparant l'air comprimé dans une installation produisant un gaz riche en dioxyde de carbone, iv) comprimer le gaz riche en dioxyde de carbone dans un compresseur de dioxyde de carbone, et v) refroidir le gaz riche en dioxyde de carbone en amont et/ou en aval du compresseur de dioxyde de carbone avec des frigories de l'eau refroidie de l'étape i). Selon d'autres aspects facultatifs : - on refroidit l'air provenant du compresseur d'air pour condenser de l'eau contenue dans l'air et on utilise l'eau contenue dans l'air pour humidifier l'air destiné au compresseur d'air. - on refroidit un gaz résiduaire contenant du dioxyde de carbone provenant de l'installation pour condenser de l'eau qu'il contient, on utilise l'eau pour refroidir l'air destiné au compresseur d'air et on traite le gaz résiduaire pour produire le gaz riche en dioxyde de carbone. - on refroidit le gaz riche en dioxyde de carbone en aval du compresseur de dioxyde de carbone afin de le condenser et on pressurise le liquide produit riche en dioxyde de carbone dans une pompe. - un débit enrichi en oxygène ou un débit enrichi en azote ou un débit enrichi en argon est le fluide produit en séparant l'air. - l'installation est une installation d'oxycombustion ou une installation de production de métaux sidérurgique ou un gazéifieur. - de l'air comprimé est utilisé dans l'installation. - l'installation est une cimenterie, une installation de production de métaux, par exemple une installation sidérurgique ou une turbine à gaz. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil intégré de compression d'air et de production d'un fluide riche en dioxyde de carbone comprenant un compresseur d'air, un élément de mise en contact de l'air destiné au compresseur d'air avec de l'eau pour produire de l'air humidifié, voire saturé en eau, et de l'eau refroidie, une conduite pour envoyer l'air humidifié comprimé du compresseur d'air à une installation produisant un gaz riche en dioxyde de carbone ou une conduite pour envoyer un fluide produit en séparant l'air comprimé à l'installation, un compresseur de gaz riche en dioxyde de carbone pour comprimer le gaz riche en dioxyde de carbone, au moins un échangeur de chaleur en amont et/ou en aval du compresseur de gaz riche en dioxyde de carbone et des conduites pour envoyer à l'échangeur de chaleur de l'eau refroidie dans l'élément de mise en contact et le gaz riche en dioxyde de carbone. L'élément de mise en contact peut être intégré avec un élément de filtration d'air dans un même caisson. L'appareil peut comprendre un refroidisseur pour refroidir l'air provenant du compresseur d'air pour condenser de l'eau contenue dans l'air et une conduite pour amener l'eau contenue dans l'air pour humidifier l'air destiné au compresseur d'air. L'appareil peut également comprendre un refroidisseur pour refroidir un gaz résiduaire contenant du dioxyde de carbone provenant de l'installation pour condenser de l'eau qu'il contient et une conduite pour envoyer l'eau condensée pour refroidir l'air destiné au compresseur d'air. L'appareil comprend des moyens de traitement du gaz résiduaire dépourvu d'eau pour produire le gaz riche en dioxyde de carbone. L'échangeur peut être en aval du compresseur de dioxyde de carbone pour refroidir le gaz riche en dioxyde de carbone afin de le condenser et une pompe pour pressuriser le liquide produit riche en dioxyde de carbone. L'appareil peut comprendre un appareil de séparation d'air pour produire un débit enrichi en oxygène ou un débit enrichi en azote ou un débit enrichi en argon en séparant l'air du compresseur, après séchage. L'installation peut être une installation d'oxycombustion ou une installation de production de métaux sidérurgique ou un gazéifieur. L'installation peut comprendre une conduite pour envoyer l'air comprimé l'installation. L'installation peut être une cimenterie, une installation de production de métaux, par exemple une installation sidérurgique ou une turbine à gaz. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures, les Figures 1 et 2 illustrant un procédé intégré selon l'invention et la Figure 3 illustre les éléments 3 et 7 des Figures précédentes. La Figure 1 montre un procédé intégré comprenant un appareil de compression d'air et un appareil de production d'un gaz riche en dioxyde de carbone. Un débit d'air est épuré dans un filtre 3 et l'air filtré 5 est envoyé à un élément 7 permettant un échange de chaleur et de matière entre l'air filtré 5 et de l'eau 9, l'eau 9 étant à une température moins élevée que l'air 5. Après l'échange de chaleur et de matière, l'air filtré 5 est enrichi en eau, éventuellement jusqu'à saturation et éventuellement réchauffé pour constituer le débit 13. L'eau refroidie dans l'élément 7 constitue le débit d'eau 11. Le débit d'air 13 est comprimé dans le compresseur 15 à une pression entre 3 et 15 bars abs. Ensuite il est refroidi dans un refroidisseur 17, ce qui a pour effet de condenser au moins une partie de l'eau contenue dans l'eau 13. L'eau se sépare de l'air dans un séparateur de phases 19 pour former le débit 21 qui est recyclé au moins en partie vers le débit 9. Ainsi l'eau rajoutée à l'air 5 pour former le débit humide 13 peut être substantiellement entièrement recyclé à l'élément 7 de sorte que le procédé puisse fonctionner sans ou quasiment sans appoint d'eau. L'air séché 23 provenant du séparateur de phases 19 peut être envoyé directement à une unité 27 comme débit 25 pour alimenter un procédé opéré par l'unité ou pour servir à refroidir une partie de l'unité. L'unité 27 peut dans ce cas être une cimenterie, une turbine à gaz ou une installation de production de métaux, par exemple d'acier ou de fer. Autrement l'air séché 23 peut être envoyé à un appareil de séparation d'air 24, fonctionnant par exemple par distillation cryogénique, pour produire un débit 25 enrichi en oxygène ou en azote ou en argon. Ce débit 25 alimente l'unité 27 qui peut être une unité de gazéification, une unité de combustion, une unité de production d'électricité par combustion si le débit est enrichi en oxygène, une unité de production de métaux, pour les trois possibilités d'enrichissement. Dans tous les cas, l'unité 27 produit un débit 29 contenant au moins 30% de dioxyde de carbone, voire au moins 70% de dioxyde de carbone. Au moins une partie du restant du débit 29 peut être de l'hydrogène, de l'azote ou du monoxyde de carbone, par exemple. Le débit 29 contient également au moins 10% d'eau. Cette eau est éliminée en refroidissant le débit 29 avec le refroidisseur 31 et en laissant l'eau se condenser dans le séparateur de phases 33. L'eau condensée 35 est éventuellement recyclée au débit 9. Le débit 37 contenant au moins 30% de dioxyde de carbone est refroidi dans un échangeur de chaleur indirect 39 contre au moins de l'eau 11 issue de l'élément 7, qui n'a pas été refroidie en dehors de l'élément 7. Le débit 37 refroidi est envoyé au compresseur 41 et comprimé jusqu'à une pression de préférence de 55 à 65 bars abs Le débit comprimé peut ensuite est épuré dans une unité de distillation à basse température ou traité autrement. La Figure 2 diffère de la Figure 1 en ce que la compression du débit dans le compresseur 41 a lieu en amont de l'échangeur 39. Le débit refroidi 37 se liquéfie dans l'échangeur 39 ou se refroidit s'il est déjà à une pression supercritique et est ensuite pressurisé par la pompe 43 à une pression plus élevée pour former le liquide sous pression 45. Ce débit liquide 45 peut être envoyé à une canalisation 47, solidifié ou traité autrement. Dans le cas de l'envoi à une canalisation la pression de sortie de la pompe 43 pourra être au-dessus de 150 bars abs et le gaz 37 est comprimé en amont par le compresseur jusqu'à une pression intermédiaire. Il est également envisageable de purifier le débit 37 par exemple dans une unité de distillation à basse température pour l'enrichir en 002 entre le séparateur de phases 33 et le compresseur 41. La figure 3 montre en plus de détail les éléments 3 et 7 des figures précédentes. Un caisson commun contient un élément de filtration 3 et un élément de mise en contact 7. L'air 1 est filtré dans l'élément de filtration 3 et ensuite humidifié par le contact avec l'eau 7. L'eau 11 sortant de l'élément 7 s'en trouve refroidie et l'air humidifié 13 est traité dans le reste du procédé. L'élément de mise en contact 7 peut être constitué par un corps de garnissage permettant l'échange de matière et de chaleur entre l'eau et l'air. Le débit 11 est recyclé au débit 9 si le procédé ne consomme pas d'eau. Il peut par exemple être envoyé à un systéme de refroidissement, par exemple de type aéro-réfrigérant, avant d'être envoyé à l'élément 7. Les fluides 21 et/ou 35 peuvent d'ailleurs être mélangés au débit 11 avant ce pré-refroidissement. Dans tous les cas, il est possible qu'à la fois de l'air comprimé dans le compresseur 15 et un fluide produit en séparant le reste de l'air comprimé dans le compresseur soient tous deux envoyés à la même installation 27. REVENDICATIONS1. Procédé intégré de compression d'air et de production d'un fluide riche 5 en dioxyde de carbone comprenant les étapes de : i) mettre en contact de l'air destiné à un compresseur d'air (15) avec de l'eau pour produire de l'air humidifié, voire saturé en eau, (13) et de l'eau refroidie (11), ii) comprimer l'air humidifié dans le compresseur pour produire de l'air 10 comprimé, iii) utiliser au moins une partie de l'air comprimé ou un fluide produit en séparant l'air comprimé dans une installation (27) produisant un gaz riche en dioxyde de carbone (29, 37), iv) comprimer le gaz riche en dioxyde de carbone dans un compresseur 15 de dioxyde de carbone (41), et v) refroidir le gaz riche en dioxyde de carbone en amont et/ou en aval du compresseur de dioxyde de carbone avec des frigories de l'eau refroidie de l'étape i). 20 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on refroidit l'air provenant du compresseur d'air (15) pour condenser de l'eau contenue dans l'air et on utilise l'eau contenue dans l'air pour humidifier l'air destiné au compresseur d'air. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on refroidit un gaz 25 résiduaire contenant du dioxyde de carbone (29) provenant de l'installation (27) pour condenser de l'eau qu'il contient, on utilise l'eau (35) pour refroidir l'air destiné au compresseur d'air et on traite le gaz résiduaire pour produire le gaz riche en dioxyde de carbone (37). 30 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on refroidit le gaz riche en dioxyde de carbone en aval du compresseur de dioxyde de carbone (37) afin de le condenser et on pressurise le liquide produit riche en dioxyde de carbone dans une pompe (43). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un débit enrichi en oxygène ou un débit enrichi en azote ou un débit enrichi en argon est le fluide produit en séparant l'air dans un appareil de séparation d'air (24). 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'installation (27) est une installation d'oxycombustion ou une installation de production de métaux sidérurgique ou un gazéifieur. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel de l'air comprimé est utilisé dans l'installation (27). 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'installation (27) est une cimenterie, une installation de production de métaux, par exemple une installation sidérurgique ou une turbine à gaz. 9. Appareil de compression d'air et de production d'un fluide riche en dioxyde de carbone comprenant un compresseur d'air (15), un élément (7) de mise en contact de l'air destiné au compresseur d'air avec de l'eau pour produire de l'air humidifié (13), voire saturé en eau, et de l'eau refroidie (11), une conduite pour envoyer l'air humidifié comprimé du compresseur d'air à une installation (27) produisant un gaz riche en dioxyde de carbone (29, 37) ou une conduite pour envoyer un fluide produit en séparant l'air comprimé à l'installation, un compresseur (41) de gaz riche en dioxyde de carbone pour comprimer le gaz riche en dioxyde de carbone, au moins un échangeur de chaleur (39) en amont et/ou en aval du compresseur de gaz riche en dioxyde de carbone et des conduites pour envoyer à l'échangeur de chaleur de l'eau refroidie dans l'élément de mise en contact et le gaz riche en dioxyde de carbone. 10. Appareil selon la revendication 9 dans lequel l'élément de mise en contact (7) est intégré avec un élément de filtration d'air (3) dans un même caisson.