Brevet FR2972793A1 — publié le 20120921

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de liquéfaction d'un gaz riche en dioxyde de carbone. Un gaz riche en dioxyde de carbone contient au moins 300/0 mol. de dioxyde de carbone, ou au moins 500/0 mol de dioxyde de carbone, voire au moins 800/0 mol de dioxyde de carbone. Le gaz comprend également au moins une impureté plus légère que le dioxyde de carbone choisi dans la liste suivante : de l'azote, de l'oxygène, de l'hydrogène, de l'argon, du monoxyde de carbone, du méthane, de l'hélium. Une voie industrielle envisagée pour le transport du CO2 est celle du transport par bateaux, nécessitant la liquéfaction du CO2 issu de différentes sources : gaz de centrales charbon, d'unités sidérurgiques, de SMR, de procédés de gazéification, etc. Cette liquéfaction peut être précédée d'un ou plusieurs traitements des fumées ou de gaz de synthèse par des méthodes de séparation physique et/ou chimique. L'invention propose des procédés de liquéfaction du CO2, minimisant les pertes de CO2 ainsi que l'énergie spécifique liée à la purification et à la liquéfaction du CO2. Une étape supplémentaire de compression est envisagée sur un gaz enrichi en impureté légère produit pendant la liquéfaction, afin d'augmenter le rendement en CO2 de l'unité de liquéfaction. Cette solution permet également d'obtenir une partie de l'impureté légère à une pression supérieure à celle du CO2 produit. Une partie de l'impureté légère (par exemple de l'hydrogène, du CO ou du méthane) peut être éventuellement purifiée pour alimenter un réseau de gaz à 40 barra par exemple. On peut notamment penser à traiter ces incondensables dans un PSA H2. Les pertes de CO2 sont minimisées au maximum. Le gaz enrichi en impureté légère obtenu lors de la détente de CO2 à la pression du CO2 liquide produit est renvoyé vers une unité de compression. Cette solution a l'avantage de permettre de régler le rendement désiré pour l'unité en ajustant la pression de sortie de la compression supplémentaire où la pression était dictée par le consommateur du gaz valorisé (un réseau d'hydrogène par exemple). Ici toutes les impuretés légères sont générées sous pression. Une détente permettant de récupérer cette énergie est envisageable. Par exemple une turbine chaude ou froide peut détendre les gaz incondensables ou une turbine peut être couplée à un compresseur permettant d'améliorer le rendement. Afin d'optimiser les couts et la consommation énergétique de la solution de liquéfaction du CO2, cette compression supplémentaire proposée sur le gaz enrichi en impureté légère peut être déclenchée lorsque le cout de l'électricité est au plus bas et/ou lorsque que la température de l'eau de refroidissement des compresseurs et/ou du condenseur de CO2 est plus basse (fonctionnement jour/nuit par exemple), de préférence uniquement lorsque le cout de l'électricité est au plus bas et/ou uniquement lorsque que la température de l'eau de refroidissement est plus basse (fonctionnement jour/nuit par exemple). Afin d'éviter les problèmes de passages vides en face de passages utilisés dans l'échangeur, un échangeur dédié pour le refroidissement de ces incondensables peut être installé. Avec une température d'eau de refroidissement plus basse la nuit que la journée, le groupe froid pourra fournir plus de frigories nécessaires à la condensation des incondensables re-comprimés par le booster. Enfin les gaz évaporés des stockages de CO2 liquide ou le gaz riche en CO2 produit lors du chargement du CO2 vers le bateau peuvent être renvoyés en amont de l'étape de compression des incondensables, minimisant les pertes de CO2. L'ajout d'une étape de compression dédiée pour la récupération des gaz évaporés n'est pas forcément rentable, en revanche avec le schéma proposé l'investissement est déjà justifié par l'amélioration de rendement du liquéfacteur. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de liquéfaction d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contenant au moins une impureté légère dans lequel le gaz est refroidi à une première pression dans un échangeur et envoyé dans un premier séparateur de phases pour produire un liquide riche en dioxyde de carbone qui sert au moins partiellement de produit et un gaz enrichi en impureté légère, le gaz enrichi se réchauffe dans l'échangeur et au moins une partie des frigories nécessaires à la production du liquide sont fournies par un cycle de réfrigération dans lequel un gaz de cycle se réchauffe dans l'échangeur à au moins une pression, est comprimé, se refroidit dans l'échangeur et est détendu à au moins une pression pour être de nouveau refroidi. Eventuellement : - le gaz de cycle est riche en dioxyde de carbone et, en particulier, est constitué au moins partiellement par une partie du gaz d'alimentation. - le gaz enrichi en impureté légère réchauffé est comprimé jusqu'à une deuxième pression supérieure à la première pression pour former un gaz comprimé, le gaz comprimé se refroidit dans l'échangeur et est détendu à une troisième pression et envoyé dans un deuxième séparateur de phases pour former un gaz de tête riche en impureté légère et un liquide de cuve, le liquide de cuve est détendu et envoyé en amont du premier séparateur de phases et le gaz de tête se réchauffe dans l'échangeur. - le gaz enrichi en impureté légère réchauffé est comprimé dans un compresseur intermédiaire jusqu'à la deuxième pression supérieure à la première pression pour former le gaz comprimé, le gaz comprimé se refroidit dans l'échangeur et est détendu à la troisième pression et envoyé dans le deuxième séparateur de phases pour former le gaz de tête riche en impureté légère et le liquide de cuve i) si le prix de l'électricité en dessous d'un seuil donné et/ou ii) si la température de l'eau de refroidissement du compresseur intermédiaire est en dessous d'un seuil. - le gaz enrichi en impureté légère réchauffé est comprimé dans un compresseur intermédiaire jusqu'à la deuxième pression supérieure à la première pression pour former le gaz comprimé, le gaz comprimé se refroidit dans l'échangeur et est détendu à la troisième pression et envoyé dans le deuxième séparateur de phases pour former le gaz de tête riche en impureté légère et le liquide de cuve i) uniquement si le prix de l'électricité en dessous d'un seuil donné et/ou ii) uniquement si la température de l'eau de refroidissement du compresseur intermédiaire est en dessous d'un seuil. - i) si le prix de l'électricité au dessus d'un seuil donné et/ou ii) si la température de l'eau de refroidissement du compresseur intermédiaire est au dessus d'un seuil, le gaz enrichi en impureté légère est rejeté à l'atmosphère ou traité par un moyen autre qu'un refroidissement ou une séparation à température subambiante. - uniquement si i) le prix de l'électricité au dessus d'un seuil donné et/ou ii) la température de l'eau de refroidissement du compresseur intermédiaire est au dessus d'un seuil, le gaz enrichi en impureté légère est rejeté à l'atmosphère ou traité par un moyen autre qu'un refroidissement ou une séparation à température subambiante. - le gaz de cycle se liquéfie pour former un liquide, le liquide ou au moins une partie de ce liquide se vaporise dans l'échangeur et est envoyé au compresseur de cycle, éventuellement plusieurs partie du liquide sont détendues chacune dans une vanne à une pression différente, chaque partie de gaz détendu étant réchauffée dans l'échangeur à la pression à laquelle elle a été détendue. - un gaz riche en dioxyde de carbone provenant d'un stockage de dioxyde de carbone liquide ou d'une autre source extérieure est mélangé avec le gaz enrichi en impureté légère en amont du réchauffage dans l'échangeur. - le stockage est un bateau alimenté en liquide par un liquide produit par le procédé de liquéfaction. - le gaz de tête est enrichi en hydrogène par rapport au gaz à la première pression et on sépare le gaz de tête en aval de l'échangeur par adsorption ou par perméation pour produire un gaz riche en hydrogène. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de liquéfaction d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contenant au moins une impureté légère comprenant un échangeur de chaleur, un premier séparateur de phases, un compresseur de cycle, au moins une vanne de cycle, une conduite pour envoyer le gaz d'alimentation de l'échangeur de chaleur au premier séparateur de phases, une conduite pour soutirer un liquide du premier séparateur de phases qui sert au moins partiellement de produit et une conduite pour soutirer du premier séparateur de phases un gaz enrichi en impureté légère, une conduite pour envoyer le gaz enrichi se réchauffer dans l'échangeur et un cycle de réfrigération pour produire au moins une partie des frigories nécessaire comprenant une conduite pour envoyer le gaz de cycle du compresseur de cycle à des moyens de refroidissement pour le refroidir et éventuellement le liquéfier pour former un fluide refroidi, une conduite pour envoyer le fluide refroidi à l'échangeur de chaleur, une conduite pour sortir le fluide refroidi de l'échangeur de chaleur sous forme liquide, des moyens pour envoyer le liquide à l'échangeur et éventuellement des moyens pour diviser le liquide en au moins deux parties, des moyens pour détendre le liquide ou chaque partie du liquide à une pression différente et des conduites pour envoyer le liquide détendu ou les liquides détendus à l'échangeur de chaleur pour former le gaz réchauffé ou des gaz réchauffés et au moins une conduite pour envoyer le ou les gaz réchauffé(s) au compresseur de cycle. Eventuellement l'appareil comprend : - un compresseur intermédiaire, un deuxième séparateur de phases et des conduites pour envoyer un gaz du premier séparateur de phases au deuxième séparateur de phases via le compresseur intermédiaire - des moyens pour faire fonctionner le compresseur intermédiaire en fonction d'un seuil de température ou de prix d'électricité. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures qui représentent des procédés de liquéfaction selon l'invention. La figure 1 montre un procédé de liquéfaction utilisant un compresseur d'alimentation Cl à trois étages, un compresseur de cycle C3, un échangeur de chaleur 6 à plaques et à ailettes en aluminium brasé et deux séparateurs de phases V1, V3. Le gaz d'alimentation à basse pression 1 est un gaz riche en dioxyde de carbone contient au moins 300/0 mol. de dioxyde de carbone, ou au moins 500/0 mol de dioxyde de carbone, voire au moins 800/0 mol de dioxyde de carbone. Le gaz 1 est comprimé dans les trois étages du compresseur Cl jusqu'à une pression de 7.5bar abs pour former le débit d'alimentation 5 riche en dioxyde de carbone. Ce débit 5 se refroidit dans l'échangeur 6, et est envoyé au séparateur de phases V1. La partie liquide 7 constitue le produit liquide riche en dioxyde de carbone et la partie gazeuse 11 enrichie en une impureté légère se réchauffe dans l'échangeur 6 pour former le débit 13. Au moins une partie des frigories est fournie par un cycle à un gaz riche en dioxyde de carbone. Ce gaz comprimé dans le compresseur C3 est refroidi pour former un liquide ou un fluide supercritique dans l'échangeur E, refroidi dans l'échangeur 6 puis divisé en plusieurs parties, ici trois. L'échangeur donc sert de condenser de CO2 et peut être alimenté par un débit d'eau de refroidissement. Une partie est détendue par la vanne 25 jusqu'à la pression la plus basse BP et envoyée à un séparateur de phases V3. La partie liquide et la partie gazeuse provenant du séparateur de phases V3 sont réchauffées dans l'échangeur 6 pour vaporiser la partie liquide et les deux parties réunies envoyées à l'entrée du compresseur C3. Une autre partie du fluide de cycle est détendue dans la vanne 27 à une pression HP, réchauffée dans l'échangeur 6 puis envoyée à un niveau intermédiaire du compresseur C3. La dernière partie du fluide de cycle est détendue dans la vanne 29, réchauffée dans l'échangeur 6 puis envoyée à un autre niveau intermédiaire du compresseur C3. De préférence il y a autant de vaporisations de liquide à des pressions différentes que d'étages dans le compresseur pour optimiser l'échange de chaleur. Un débit 3 est envoyé à un niveau intermédiaire du compresseur C1. Les compresseurs Cl, C3 peuvent être refroidis par de l'eau de refroidissement. La figure 2 montre un procédé de liquéfaction utilisant un compresseur d'alimentation 3 à trois étages, un compresseur intermédiaire C2, un compresseur de cycle C3, un échangeur de chaleur 6 à plaques et à ailettes en aluminium brasé et trois séparateurs de phases V1, V2, V3. Le gaz d'alimentation à basse pression 1 est un gaz riche en dioxyde de carbone contient au moins 300/0 mol. de dioxyde de carbone, ou au moins 500/0 mol de dioxyde de carbone, voire au moins 800/0 mol de dioxyde de carbone. Le gaz 1 est comprimé dans les trois étages du compresseur Cl jusqu'à une pression de 7 bar abs pour former le débit d'alimentation 5 riche en dioxyde de carbone. Ce débit 5 se refroidit dans l'échangeur 6, et est envoyé au séparateur de phases V1. La partie liquide 7 constitue le produit liquide riche en dioxyde de carbone et la partie gazeuse 11 enrichie en une impureté légère se réchauffe dans l'échangeur 6 pour former le débit 13. Le débit 13 est comprimé dans le compresseur intermédiaire C2, puis refroidi formant le débit 17. Le débit 17 se refroidit dans l'échangeur 6 puis est envoyé au séparateur de phases V2. Le liquide 21 du séparateur de phases V2 est détendu puis renvoyé à l'entrée du séparateur de phases V1. Le gaz de tête 19 du séparateur de phases V2 est envoyé se chauffer dans l'échangeur 6. Ensuite il est séparé dans le séparateur 15, par exemple un PSA, pour produire un débit riche en impureté légère, par exemple hydrogène, méthane ou monoxyde de carbone. Un débit 23 est un résidu. Au moins une partie des frigories est fournie par un cycle à un gaz riche en dioxyde de carbone. Ce gaz comprimé dans le compresseur C3 est refroidi pour former un liquide ou un fluide supercritique dans l'échangeur E, refroidi dans l'échangeur 6 puis divisé en plusieurs parties, ici trois. Une partie est détendue par la vanne 25 jusqu'à la pression la plus basse BP et envoyée à un séparateur de phases V3. La partie liquide et la partie gazeuse provenant du séparateur de phases V3 sont réchauffées dans l'échangeur 6 pour vaporiser la partie liquide et les deux parties réunies envoyées à l'entrée du compresseur C3. Une autre partie du fluide de cycle est détendue dans la vanne 27 à une pression HP, réchauffée dans l'échangeur 6 puis envoyée à un niveau intermédiaire du compresseur C3. La dernière partie du fluide de cycle est détendue dans la vanne 29 à une pression HHP, réchauffée dans l'échangeur 6 puis envoyée à un autre niveau intermédiaire du compresseur C3. De préférence il y a autant de vaporisations de liquide à des pressions différentes que d'étages dans le compresseur pour optimiser l'échange de chaleur. Un débit 3 est envoyé à un niveau intermédiaire du compresseur C1. Dans la Figure 2, un gaz 9 généré pendant le remplissage d'un bateau avec un liquide riche en dioxyde de carbone, par exemple le liquide 7 est renvoyé au procédé de séparation, par exemple en amont du compresseur C2 pour être séparé dans le séparateur de phases V2. Il est possible de faire fonctionner le compresseur intermédiaire C2 et donc le séparateur de phases V2 uniquement quand le prix de l'électricité est en dessous d'un seuil donné (par exemple la nuit) et/ou uniquement quand la température de l'eau de refroidissement utilisée dans le refroidisseur E ou dans un des compresseurs Cl, C2, C3 après est en dessous d'un seuil donné. Par exemple quand le prix de l'électricité est au dessus de 60E/MWh et/ou la température de l'eau est au dessus de 28°C, le compresseur C2 ne fonctionne pas et le gaz 13 n'est pas purifié par une séparation à température subambiante. Le gaz 13 peut dans ce cas être rejeté à l'atmosphère ou traité par adsorption. Quand le prix de l'électricité est en dessous de 60E/MWh et/ou la température de l'eau est en dessous de 28°C, le procédé fonctionne comme illustré par la Figure 2 et le compresseur C2 comprime le gaz destiné au séparateur de phases V2. Le prix servant de seuil ou la température de seuil sont bien sûr à choisir à choisir en fonction des conditions locales. Par exemple le compresseur C2 peut fonctionner uniquement le jour. Dans ce cas, l'appareil comprendra des moyens pour détecter le dépassement du seuil pour pouvoir arrêter le fonctionnement du compresseur C2. Pour les deux figures, afin de récupérer de l'énergie, une turbine peut détendre le gaz 11, 13, 19 et/ou être couplée au compresseur C2. REVENDICATIONS1. Procédé de liquéfaction d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contenant au moins une impureté légère dans lequel le gaz est refroidi à une première pression dans un échangeur (6) et envoyé dans un premier séparateur de phases (V1) pour produire un liquide riche en dioxyde de carbone qui sert au moins partiellement de produit et un gaz enrichi en impureté légère, le gaz enrichi se réchauffe dans l'échangeur et au moins une partie des frigories nécessaires à la production du liquide sont fournies par un cycle de réfrigération dans lequel un gaz de cycle se réchauffe dans l'échangeur à au moins une pression, est comprimé, se refroidit dans l'échangeur et est détendu à au moins une pression pour être de nouveau refroidi. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz de cycle est riche en dioxyde de carbone et, en particulier, est constitué au moins partiellement par une partie du gaz d'alimentation. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le gaz enrichi en impureté légère réchauffé est comprimé jusqu'à une deuxième pression supérieure à la première pression pour former un gaz comprimé, le gaz comprimé se refroidit dans l'échangeur (6) et est détendu à une troisième pression et envoyé dans un deuxième séparateur de phases (V2) pour former un gaz de tête riche en impureté légère et un liquide de cuve, le liquide de cuve est détendu et envoyé en amont du premier séparateur de phases (V1) et le gaz de tête se réchauffe dans l'échangeur. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le gaz enrichi en impureté légère réchauffé est comprimé dans un compresseur intermédiaire (C2) jusqu'à la deuxième pression supérieure à la première pression pour former le gaz comprimé, le gaz comprimé se refroidit dans l'échangeur (6) et est détendu à la troisième pression et envoyé dans le deuxième séparateur dephases (V2) pour former le gaz de tête riche en impureté légère et le liquide de cuve i) si le prix de l'électricité en dessous d'un seuil donné et/ou ii) si la température de l'eau de refroidissement du compresseur intermédiaire (C2) est en dessous d'un seuil. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel i) si le prix de l'électricité au dessus d'un seuil donné et/ou ii) si la température de l'eau de refroidissement du compresseur intermédiaire (C2) est au dessus d'un seuil, le gaz enrichi en impureté légère est rejeté à l'atmosphère ou traité par un moyen autre qu'un refroidissement ou une séparation à température subambiante. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz de cycle se liquéfie pour former un liquide, le liquide ou au moins une partie de ce liquide se vaporise dans l'échangeur et est envoyé à un compresseur de cycle (C3), éventuellement plusieurs parties du liquide sont détendues chacune dans une vanne à une pression différente, chaque partie de gaz détendu étant réchauffée dans l'échangeur (6) à la pression à laquelle elle a été détendue. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un gaz riche en dioxyde de carbone (9) provenant d'un stockage de dioxyde de carbone liquide (10) ou d'une autre source extérieure est mélangé avec le gaz enrichi en impureté légère en amont du réchauffage dans l'échangeur. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le stockage est un bateau (10) alimenté en liquide par un liquide produit par le procédé de liquéfaction. 30 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz de tête (19) est enrichi en hydrogène par rapport au gaz à la première pression (5) et dans lequel on sépare le gaz de tête en aval de l'échangeur par adsorption ou par perméation pour produire un gaz riche en hydrogène.25 10. Appareil de liquéfaction d'un gaz d'alimentation riche en dioxyde de carbone contenant au moins une impureté légère comprenant un échangeur de chaleur (6), un premier séparateur de phases (V1), un compresseur de cycle (C3), au moins une vanne de cycle (25, 27, 29), une conduite pour envoyer le gaz d'alimentation de l'échangeur de chaleur au premier séparateur de phases, une conduite pour soutirer un liquide du premier séparateur de phases qui sert au moins partiellement de produit et une conduite pour soutirer du premier séparateur de phases un gaz enrichi en impureté légère, une conduite pour envoyer le gaz enrichi se réchauffer dans l'échangeur et un cycle de réfrigération pour produire au moins une partie des frigories nécessaire comprenant une conduite pour envoyer le gaz de cycle du compresseur de cycle à des moyens de refroidissement pour le refroidir et éventuellement le liquéfier pour former un fluide refroidi, une conduite pour envoyer le fluide refroidi à l'échangeur de chaleur, une conduite pour sortir le fluide refroidi de l'échangeur de chaleur sous forme liquide, des moyens pour envoyer le liquide à l'échangeur et éventuellement des moyens pour diviser le liquide en au moins deux parties, des moyens pour détendre le liquide ou chaque partie du liquide à une pression différente et des conduites pour envoyer le liquide détendu ou les liquides détendus à l'échangeur de chaleur pour former le gaz réchauffé ou des gaz réchauffés et au moins une conduite pour envoyer le ou les gaz réchauffé(s) au compresseur de cycle.25