Brevet FR2968575A1 — publié le 20120615

La présente invention est relative à un procédé et appareil de production d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone à partir d'un gaz résiduaire d'une unité sidérurgique, par exemple un résiduaire de haut fourneau, d'appareil MIDREX, DRI ou COREX ®. Cette invention pallie les défauts des procédés de l'art antérieur et en particulier contribue à - réduire les émissions riches en monoxyde de carbone - réduire la consommation de coke pour le haut fourneau - augmenter la productivité du haut fourneau - simplifier les machines tournantes de l'appareil - faciliter la régulation - éviter de dégrader la consommation d'énergie pour un procédé de captage de CO2 sur unité sidérurgique, éventuellement avec recyclage. Comme le compresseur en amont de l'unité d'adsorption fonctionne à taux de compression substantiellement constant, si la pression du résiduaire de l'unité sidérurgique varie, ceci entraîne une réduction de pression en amont de l'unité d'adsorption. Le procédé selon l'invention permet que l'unité d'adsorption puisse accepter ces pressions d'entrée différentes avec un bon rendement intrinsèque pour le CO et un rendement global en CO proche de 100%, grâce en particulier au gaz de recyclage. Le fluide enrichi en dioxyde de carbone contient, par exemple, au moins 70% mol. de dioxyde de carbone et peut être sous forme gazeuse ou liquide. Il est connu de WO-A- 2006/106253 d'utiliser un procédé d'adsorption suivi d'un procédé d'épuration par distillation pour produire un gaz riche en dioxyde de carbone et un gaz résiduaire enrichi en monoxyde de carbone.30 L'invention propose de recycler une partie ou la totalité du gaz décarbonaté enrichi en monoxyde de carbone, provenant du haut fourneau. Ce procédé permet en effet de réduire les consommations de coke par tonne de fonte mais offre également l'avantage d'augmenter la productivité du haut fourneau. Le gaz résiduaire provenant du haut fourneau a une pression variable en fonction du taux de charge de l'installation. Ces variations sont typiquement supérieures à 1 bar, ce qui n'est pas acceptable par les technologies actuelles de machines commerciales tout en maintenant une pression constante de refoulement vers le PSA. Il est à noter que la pression du haut fourneau et débit molaire du gaz résiduaire varient de façon sensiblement proportionnelle, conduisant à un débit volumique quasi constant à l'aspiration de la machine de compression du gaz de gueulard. Selon l'invention, on laisse donc varier la pression du gaz résiduaire reçu par l'unité d'adsorption. L'unité d'adsorption est conçue pour séparer un gaz à une première pression, mais peut également fonctionner avec un rendement moindre à une deuxième pression inférieure d'au moins 2 bars à la première pression. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone à partir d'un gaz résiduaire d'une unité sidérurgique dans lequel on comprime au moins une partie du gaz résiduaire dans un premier compresseur, éventuellement on sèche le gaz résiduaire comprimé, on sépare le gaz résiduaire, éventuellement séché, par un procédé d'adsorption dans une unité d'adsorption pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en monoxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et enrichi en monoxyde de carbone, on sépare dans une unité de séparation le gaz enrichi en dioxyde de carbone, pour produire un fluide enrichi en dioxyde de carbone et un gaz de recyclage contenant du monoxyde de carbone, on recycle le gaz de recyclage de l'unité de séparation vers l'unité d'adsorption à la pression d'entrée de l'unité d'adsorption et on envoie au moins une partie du gaz appauvri en dioxyde de carbone à l'unité sidérurgique ou une autre unité sidérurgique, de préférence après l'avoir réchauffée. Selon d'autres objets facultatifs : - pendant une première marche, le gaz résiduaire comprimé dans le premier compresseur a une première pression à la sortie du compresseur entre 8 et 15 bars abs, un premier débit et une première concentration en monoxyde de carbone et pendant une deuxième marche, le gaz résiduaire comprimé dans le premier compresseur a une deuxième pression à la sortie du compresseur entre 3 et 7 bars abs, un deuxième débit inférieur au premier débit et une deuxième concentration en monoxyde de carbone inférieure à la première concentration. - au moins une partie du gaz de recyclage est recyclée à l'unité d'adsorption à une pression substantiellement égale à celle du refoulement du premier compresseur pour être séparée dans l'unité d'adsorption - on comprime le gaz enrichi en dioxyde de carbone dans un deuxième compresseur en amont de l'unité de séparation ou on comprime le gaz de recyclage entre l'unité de séparation et l'unité d'adsorption. - l'unité de séparation opère à une température en dessous de 0°C par au moins une étape de refroidissement suivie d'au moins une étape de séparation de phases, pouvant être par exemple une unité de distillation. - on maintient la première et/ou la deuxième pression substantiellement constante en ajustant la pression de sortie du premier compresseur, par exemple au moyen d'une soufflante connectée en amont de celui-ci. - on ajuste la pression de sortie du premier compresseur en envoyant le gaz résiduaire dans un stockage en amont du premier compresseur et en alimentant le premier compresseur à partir du stockage. - on modifie la pression du gaz de recyclage pour qu'il soit à une pression plus élevée pendant la première marche et une pression plus basse pendant la deuxième marche. - l'unité d'adsorption a un premier rendement de séparation de monoxyde de carbone pendant la première marche et un deuxième rendement de séparation de monoxyde de carbone pendant la deuxième marche, inférieur au premier rendement. 3 Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone à partir d'un gaz résiduaire d'une unité sidérurgique comprenant i) une unité sidérurgique ii) un premier compresseur dans lequel on comprime au moins une partie du gaz résiduaire provenant de l'unité sidérurgique iii) une unité d'adsorption où on sépare le gaz résiduaire, éventuellement séché, par un procédé d'adsorption pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en monoxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et enrichi en monoxyde de carbone, iv) une unité de séparation où on sépare dans le gaz enrichi en dioxyde de carbone, pour produire un fluide riche en dioxyde de carbone et un gaz de recyclage contenant du monoxyde de carbone v) une conduite pour envoyer le gaz de recyclage de l'unité de séparation à l'unité d'adsorption et vi) une conduite pour envoyer au moins une partie du gaz appauvri en dioxyde de carbone à l'unité sidérurgique ou une autre unité sidérurgique. L'unité de séparation peut être une unité de lavage par solvant physique ou chimique ou une unité de séparation par refroidissement et séparation de phases, par exemple une unité de distillation opérant à une température en dessous de 0°C. Des moyens sont éventuellement prévus pour modifier la pression du gaz de recyclage pour qu'elle soit substantiellement égale à celle de l'entrée de l'unité d'adsorption. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des procédés selon l'invention. La Figure 1 représente une unité sidérurgique, par exemple un appareil Midrex, DRI ou COREX ou un haut fourneau intégré avec un appareil de production d'un fluide riche en CO2. Dans le cas illustré d'un haut fourneau, le haut fourneau est alimenté par de l'oxygène et du charbon pulvérisé et du minerai de fer M ainsi que de coke. L'unité produit un gaz résiduaire 1 en quantité variable selon la charge de l'unité. L'appareil de production de fluide riche en CO2 comprend une unité d'adsorption PSA qui peut être du type PSA, VSA ou VPSA et une unité de séparation SP. L'unité de séparation peut être une unité de séparation par lavage par solvant physique ou chimique, par exemple un lavage aux amines ou MDEA. Alternativement la séparation dans l'unité SP peut être effectuée par épuration à température sub-ambiante (en dessous de 0°C) où s'effectue au moins une étape de refroidissement suivi d'au moins étape de séparation de phase. Le SP peut par exemple être une colonne de distillation précédé par un échangeur de chaleur et éventuellement un compresseur C2, illustré sur d'autres figures. L'unité sidérurgique, par exemple un haut fourneau, HF produit un gaz résiduaire 1 comprenant de l'hydrogène, de l'azote, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et en composant principal du monoxyde de carbone. Après filtration dans le filtre F, une partie P du gaz est purgée et le reste 3 est comprimé dans un compresseur Cl à une pression. Ensuite le gaz comprimé est séché dans le sécheur D et envoyé en amont de l'unité d'adsorption. L'unité produit un débit 6 enrichi en monoxyde de carbone et appauvri en dioxyde de carbone et un débit 5 appauvri en dioxyde de carbone et enrichi en monoxyde de carbone. Le débit 6 est envoyé après compression dans le compresseur C2 à une unité SP, pouvant comprendre une colonne de distillation ou un liquéfacteur pour produire un fluide enrichi, voire riche, en CO2 7, par exemple du CO2 liquide. La présence du compresseur C2 est néanmoins facultatif. Le débit 9 est un gaz résiduaire contenant du monoxyde de carbone qui est renvoyé vers l'entrée de l'unité PSA. En l'absence du compresseur C2 ou même si ce compresseur est présent, il peut être envisagé de comprimer le débit 9 en amont de l'épuration par adsorption pour atteindre la pression du débit 3. Le débit 5 enrichi en monoxyde de carbone est chauffé dans l'échangeur de chaleur C, de préférence de type Cowpers et envoyé au haut fourneau HF pour servir de carburant. Selon une variante préférée, pendant une première marche, celle de la marche nominale, le haut fourneau produit du gaz à une première pression basse et est comprimé par le compresseur Cl à entre 8 et 10 bars abs. Le débit comprimé a un premier débit et contient 45% mol. de monoxyde de carbone. Il est épuré dans l'unité PSA et le débit produit enrichi en monoxyde de carbone par rapport au premier débit est envoyé au haut fourneau. Le débit résiduaire 9 est recyclé du SP comme expliqué pour l'exemple général. En cas de charge réduite du haut fourneau, pendant une deuxième marche, la pression du gaz 1 baisse à une pression plus basse que la première pression basse, son débit est réduit par moitié et la concentration en monoxyde de carbone est réduite à 40% mol. L'appareil continue à fonctionner. Comme le taux de compression du compresseur Cl est substantiellement constant, le gaz à l'entrée du PSA se trouve à entre 3 et 7 bars abs. Dans ce cas, le fonctionnement de l'unité PSA est dégradé, plus de monoxyde de carbone reste dans le débit 6 que pour l'exemple à pression plus élevée et le rendement en monoxyde de carbone pour le débit 5 chuterait, si le recyclage 9 ne venait pas rajouter le CO restant .Le débit 6, plus riche en CO que pour le cas précédent, est traité dans le SP et substantiellement tout le CO qu'il contient se trouve dans le débit 9. Pour tenir compte de ces marches différentes, il sera nécessaire de produire le débit 9 à pression plus élevée pour la première marche que pour la deuxième marche. Pour ceci, il est possible soit de comprimer jusqu'à une pression plus élevée le débit 6 pendant la première marche, de comprimer jusqu'à une pression plus élevée le débit 9 pendant la première marche, soit de détendre le gaz 6 ou 9 pendant la deuxième marche. A part ces grandes modifications de pressions entre une gamme de 3 et 7 bars et une gamme de 8 et 10 bars, la pression du débit 3 peut également subir de petites variations rapides de moins d'un bar qui peuvent perturber le fonctionnement de l'appareil d'épuration PSA. Dans le but de réduire ces petites variations, le taux de compression du compresseur Cl peut être variable. Additionnellement ou alternativement une soufflante B peut être rajoutée en amont du compresseur Cl. Une autre possibilité, illustrée dans la figure, consiste à installer un stockage S qui reçoit du gaz 3 et sert à ajuster la pression / débit d'entrée du compresseur Cl, afin de servir de capacité tampon. On note également la présence facultative de capacités tampon S en amont 5 et en aval du chauffeur Cowpers C pour tenir compte des variations de débit et/ou de pression. Pour la Figure 2 des soufflantes B peut être rajoutées en amont du compresseur Cl et en amont du compresseur C2. Pour la Figure 3, le sécheur D n'est plus en amont du compresseur Cl mais 10 en amont du compresseur C2. Cette variante peut s'appliquer à toutes les figures. Ainsi à cause du recyclage, il reste possible d'opérer le procédé à ces basses pressions engendrées par la charge réduite du haut fourneau. Il sera éventuellement nécessaire de modifier le cycle (temps et pression des phases) entre la première marche et la deuxième marche. 15 Le gaz appauvri en dioxyde de carbone 5 peut éventuellement être envoyé à une unité sidérurgique autre que celle d'où provient le gaz résiduaire 1. REVENDICATIONS1. Procédé de production d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone à partir d'un gaz résiduaire d'une unité sidérurgique (HF) dans lequel on comprime au moins une partie du gaz résiduaire dans un premier compresseur (Cl), éventuellement on sèche le gaz résiduaire comprimé, on sépare le gaz résiduaire, éventuellement séché, par un procédé d'adsorption dans une unité d'adsorption (PSA) pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en monoxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et enrichi en monoxyde de carbone, on sépare dans une unité de séparation (SP) le gaz enrichi en dioxyde de carbone, pour produire un fluide enrichi en dioxyde de carbone et un gaz de recyclage contenant du monoxyde de carbone, on recycle le gaz de recyclage de l'unité de séparation vers l'unité d'adsorption à la pression d'entrée de l'unité d'adsorption et on envoie au moins une partie du gaz appauvri en dioxyde de carbone à l'unité sidérurgique ou une autre unité sidérurgique, de préférence après l'avoir réchauffée . 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel pendant une première marche, le gaz résiduaire comprimé dans le premier compresseur (Cl) a une première pression à la sortie du compresseur entre 8 et 15 bars abs, un premier débit et une première concentration en monoxyde de carbone et pendant une deuxième marche, le gaz résiduaire comprimé dans le premier compresseur a une deuxième pression à la sortie du compresseur entre 3 et 7 bars abs, un deuxième débit inférieur au premier débit et une deuxième concentration en monoxyde de carbone inférieure à la première concentration. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel au moins une partie du gaz de recyclage est recyclée à l'unité d'adsorption (PSA) à une pression substantiellement égale à celle du refoulement du premier compresseur (Cl) pour être séparée dans l'unité d'adsorption. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel on comprime le gaz enrichi en dioxyde de carbone dans un deuxième compresseur (C2) en amont de l'unité de séparation ou on comprime le gaz de recyclage entre l'unité de séparation et l'unité d'adsorption. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'unité de séparation (SP) opère à une température en dessous de 0°C par au moins une étape de refroidissement suivie d'au moins une étape de séparation de phases, pouvant être par exemple une unité de distillation. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel on maintient la première et/ou la deuxième pression substantiellement constant en ajustant la pression de sortie du premier compresseur (Cl), par exemple au moyen d'une soufflante connectée en amont de celui-ci. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on ajuste la pression de sortie du premier compresseur (Cl) en envoyant le gaz résiduaire dans un stockage en amont du premier compresseur et en alimentant le premier compresseur à partir du stockage. 20 8. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel on modifie la pression du gaz de recyclage (9) pour qu'il soit à une pression plus élevée pendant la première marche et une pression plus basse pendant la deuxième marche. 25 9. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel l'unité d'adsorption (PSA) a un premier rendement de séparation de monoxyde de carbone pendant la première marche et un deuxième rendement de séparation de monoxyde de carbone pendant la deuxième marche, inférieur au premier 30 rendement. 10 15 10. Appareil de production d'un fluide enrichi en dioxyde de carbone à partir d'un gaz résiduaire d'une unité sidérurgique (HF) comprenant i) une unité sidérurgique ii) un premier compresseur (Cl) dans lequel on comprime au moins une partie du gaz résiduaire (1,3) provenant de l'unité sidérurgique iii) une unité d'adsorption (PSA) où on sépare le gaz résiduaire, éventuellement séché, par un procédé d'adsorption pour produire un gaz enrichi en dioxyde de carbone et appauvri en monoxyde de carbone et un gaz appauvri en dioxyde de carbone et enrichi en monoxyde de carbone, iv) une unité de séparation (SP) où on sépare dans le gaz enrichi en dioxyde de carbone, pour produire un fluide riche en dioxyde de carbone (7) et un gaz de recyclage (9) contenant du monoxyde de carbone v) une conduite pour envoyer le gaz de recyclage de l'unité de séparation à l'unité d'adsorption et vi) une conduite pour envoyer au moins une partie du gaz appauvri en dioxyde de carbone à l'unité sidérurgique ou une autre unité sidérurgique.