Brevet FR3051893A1 — publié le 20171201

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour un appareil capture de par séparation à basse température. Les gaz à séparer pour capturer le CO2 qu'ils contiennent sont souvent des gaz dont la composition et le débit peuvent varier. L'accroissement de la concentration en dioxyde de carbone dans l'atmosphère est en très grande partie la cause du réchauffement global. Le CO2 d'origine humaine est essentiellement émis dans l'atmosphère par la combustion des combustibles fossiles dans les centrales thermiques et dans un certain nombre d'unités industrielles comme les cimenteries, les unités de production d'hydrogène ou encore les unités de production d'acier. Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre et/ou de la production de CO2 utilisé pour la récupération assistée du pétrole, une unité de capture et de purification du CO2 par voie cryogénique peut être employée an aval des installations émettrices de CO2. La capture et la purification du CO2 par voie cryogénique sont basées essentiellement sur la condensation partielle du CO2 à des températures proches de son point triple qui peut être complétée par une ou plusieurs distillations pour augmenter la pureté en CO2 du produit final. Pour assurer ces condensations partielles et distillation, on va devoir comprimer les gaz à purifier, les sécher puis les refroidir pour former une phase liquide enrichie en CO2 et une phase gaz enrichie en gaz incondensables que l'on va séparer dans un ou plusieurs pots de condensation partielle. Grâce à ce genre de procédé, des rendements de capture compris entre 80 et 95% sont atteignables. Le CO2 liquide obtenu est la plupart du temps séparé en au moins deux flux. Le premier flux est directement vaporisé contre le gaz à purifier pour fournir les frigories aux plus hautes températures. Le second flux est détendu avant d'être vaporisé afin de fournir les frigories nécessaires pour refroidir le gaz à purifier aux plus basses températures de la partie cryogénique, c'est-à-dire à des températures proches du point triple du CO2. Ces (au moins) deux flux vaporisés sont ensuite comprimés dans un compresseur de CO CO2, les flux à plus basse pression étant injectés plus en amont dans le compresseur que les autres flux de CO2. Les principes de condensation partielle et de distillation sont basés sur la pression partielle de chaque constituant du gaz. Dans le cadre de la capture et de la 3051893 2 purification du CO2, la pression partielle en CO2 à l'entrée de la partie cryogénique du procédé est ainsi un paramètre clé pour le dimensionnement des équipements de séparation. Par exemple, plus la pression partielle en CO2 sera basse : 5 - plus il faudra refroidir le gaz pour commencer à le condenser, c'est-à- dire pour commencer à former la phase liquide enrichie en CO2 - de ce fait, il faudra ajuster la répartition du CO2 liquide entre les flux à basse pression et ceux n'étant pas détendu : on va augmenter les débits de CO2 liquide détendu pour fournir plus de frigories à basse température 10 - à température finale de refroidissement équivalente, moins le rendement en récupération en CO2 sera élevé et inversement. Dans le cas d'une modification de la composition du gaz à purifier, la pression partielle en CO2 va être modifiée. Ceci modifie les échanges de chaleur nécessaires 15 et ainsi la répartition des flux de CO2 à « basse » et à « moyenne » pressions qui sont nécessaires pour apporter les bonnes quantités de froid aux différentes températures. Alors, le dimensionnement du compresseur de CO2 devra donc prendre en compte le fait que la répartition entre les fluides à plus basse pression et les autres fluides issus de la vaporisation du CO2 liquide a changé. Cela va induire 20 un surdimensionnement et fera que le fonctionnement du compresseur n'est pas optimal. Par exemple, si la composition en CO2 du gaz à purifier baisse par rapport à la composition en CO2 nominale, le compresseur devra être capable de comprimer le débit augmenté à basse pression par rapport à sa valeur nominale. On devra donc dimensionner le compresseur sur le cas de marche avec la composition basse, en 25 grossissant ses capacités. En marche nominale, quand la composition est nominale, le débit envoyé au compresseur sera donc en deçà de ses capacités, son fonctionnement ne sera donc pas optimal. De plus, il peut arriver que la vaporisation des flux de CO2 liquides soit réalisée dans des échangeurs distincts en fonction de leur pression et/ou de leur 30 température après détente. De ce fait, le changement de répartition entre les différents fluides qui devront être vaporisés va impacter les performances de ces échangeurs de chaleur. Selon le même exemple que précédemment, l'échangeur dans lequel se déroule la vaporisation du fluide à plus basse pression devra être dimensionné pour le cas de marche à basse composition et donc sera 3051893 3 surdimensionné pour le cas de marche avec la composition nominale. Il en est l'inverse pour l'autre échangeur concernant le ou les autres niveaux de vaporisation : il sera surdimensionné pour la marche à basse composition. Pour éviter ces différents surdimensionnements, qui vont affecter le prix et les 5 performances de l'unité de capture, la solution proposée consiste à prévoir une conception de compresseur de gaz à purifier permettant une variation de pression en sortie. On va contrôler alors cette pression en fonction de la composition en CO2 du gaz à purifier pour atteindre sensiblement la même pression partielle en CO2 en entrée de partie cryogénique quelle que soit la composition du gaz à purifier. Tous 10 les surcoûts et pertes d'efficacité de la partie cryogénique et du compresseur de CO2 sont donc évités et leur contrôle va être plus aisé car sensiblement les mêmes phénomènes vont s'opérer au sein de la partie cryogénique quelle que soit la qualité du gaz à traiter. Dans la plupart des cas, une variation de composition en CO2 dans le gaz à 15 purifier est accompagnée d'une modification du débit de gaz à purifier. La modification de la pression en sortie du compresseur de gaz à purifier en fonction de la composition en CO2 va aussi permettre d'ajuster le débit volumique en entrée de partie cryogénique. Par contre, l'entrée de ce compresseur sera affectée par les modifications de débits volumiques. Un surdimensionnement de ce compresseur 20 pourrait être envisagé mais les coûts et les performances de l'unité s'en verraient modifiés d'autant que ce compresseur représente la part la plus importante des coûts de capture et de purification. Dans le cas où la compression du gaz à purifier est entamée dans un ventilateur, la solution proposée consiste à surdimensionner ce ventilateur dont 25 l'impact sur le coût total sera marginal et à contrôler sa pression de sortie (surdimensionner un ventilateur est moins onéreux que de surdimensionner un compresseur principal). On ajustera alors la pression de sortie de ce ventilateur afin d'atteindre un débit volumique sensiblement le même quelle que soit la qualité du gaz à purifier. Ainsi, le dimensionnement du compresseur principal de l'unité ne sera 30 pas affecté et son contrôle plus aisé car son débit volumique en entrée restera constant : le contrôle de la pression en sortie du compresseur principal ne sera pas impacté par des variations non désirées de son débit volumique en entrée. Pour des problèmes de contrôle et de dimensionnement du ventilateur, un second ventilateur en parallèle peut aussi être employé afin de ne pas surdimensionner le ventilateur 3051893 4 principal. De ce fait, on va pouvoir demander au ventilateur principal une pression de sortie plus élevée que sa pression nominale sans qu'il ait en plus un débit supplémentaire à traiter par rapport à son débit nominal. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de compression d'un gaz 5 à séparer dans une unité de séparation de CO2 à basse température par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation dans lequel le gaz à séparer est à composition variable et /ou à débit variable, le gaz à séparer est comprimé dans un compresseur pour produire un gaz comprimé, caractérisé en ce que l'on modifie la pression d'entrée du gaz à séparer rentrant 10 dans le compresseur en fonction de la teneur en CO2 et/ou du débit du gaz à séparer afin de réduire les variations de débit volumique du gaz à séparer rentrant dans le compresseur. Selon d'autres aspects facultatifs : - si la teneur en CO2 du gaz à séparer baisse et/ou le débit du gaz à séparer 15 augmente, on augmente la pression du gaz à séparer à l'entrée du compresseur. - le débit volumique du débit de gaz à séparer rentrant dans le compresseur est sensiblement constant - on pressurise le gaz à séparer en amont du compresseur au moyen d'au moins un ventilateur qui produit un débit à pression variable. 20 -on envoie au moins une partie du gaz comprimé dans le ventilateur vers le compresseur pour être comprimé - la composition du débit comprimé dans le ventilateur n'est pas modifiée entre le ventilateur et le compresseur. -au moins une partie du débit comprimé dans le ventilateur est séparée entre 25 le ventilateur et le compresseur pour l'épurer en NOx et/ou en SOx et/ou en poussières. - le ventilateur est constitué par deux soufflantes connectées en parallèle ou par une seule soufflante. - le ventilateur a un taux de compression inférieur à 2 et/ou n'a qu'une seule 30 roue de compression. - le gaz à séparer contient au moins 35% molaire sur base sèche de CO2. - le gaz à séparer contient au moins 50 % molaire sur base sèche de CO2. - le gaz à séparer contient au moins 80% molaire sur base sèche de CO2 3051893 5 -le gaz à séparer contient du CO2 et au moins un autre gaz compris dans le groupe méthane, oxygène, azote, argon, hydrogène, monoxyde de carbone. -le gaz à séparer provient d'une unité d'oxycombustion ou d'une cimenterie Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'un 5 gaz à séparer dans une unité de séparation de CO2 à basse température dans lequel le gaz à séparer est comprimé comme décrit ci-dessus, refroidi par dans un échangeur de chaleur, séparé par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation pour produire un débit riche en CO2 et un fluide résultant de la condensation partielle et/ou la distillation se réchauffe dans 10 l'échangeur de chaleur. De préférence le fluide est un liquide, de préférence riche en CO2, qui se vaporise à au moins une pression dans l'échangeur de chaleur. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil de compression d'un gaz à séparer dans une unité de séparation de CO2 à basse température par au 15 moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation dans lequel le gaz à séparer est à composition variable et /ou à débit variable comprenant un compresseur pour comprime le gaz à séparer pour produire un gaz comprimé, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour modifier la pression d'entrée du gaz à séparer rentrant dans le compresseur en fonction de la teneur en 20 CO2 et/ou du débit du gaz à séparer afin de réduire les variations de débit volumique du gaz à séparer rentrant dans le compresseur. Ledit ventilateur pourrait également être celui qui se situe en amont du procédé de capture de CO2 dans la chaine de traitement de fumées « classiques » de centrale de production d'énergie (deNOX et/oudeSOX et/oufiltration...). Ce 25 ventilateur (Inducted Draft fan ou ID fan en anglais) est utilisé pour tirer les fumées de la chaudière. On entend ici par « ventilateur » ou « soufflante » un compresseur dont la dépense d'énergie, de par le débit de gaz traité et le taux de compression, est considérablement inférieure à celle du compresseur principal de l'installation, et par 30 exemple de l'ordre de 2 à 6 % de cette dernière. Le taux de compression d'une telle soufflante est généralement inferieur à 2. Un gaz ou un fluide « riche en CO2 » contient au moins 35% de CO2, voire au moins 50% de CO2 voire au moins 80% de CO2. 3051893 6 Un débit volumique substantiellement constant varie de moins de 5%, voire de 2%. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la Figure. Le gaz à séparer est généré par une unité de génération d'énergie (mais peut 5 provenir d'une cimenterie par exemple), qui peut par exemple comprendre une unité d'oxycombustion suivie d'une série d'unités pour épurer le gaz riche en CO2 en NOx et/ou en SOx et/ou en poussières. L'unité de génération 1 produit un gaz 3 contenant au moins 50% molaires de dioxyde de carbone en base sèche, ainsi que d'autres gaz pouvant être de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, de l'oxygène, de l'azote 10 et de l'argon. Selon le carburant utilisé pour l'oxycombustion, la composition et donc généralement le débit de ce gaz 3 peuvent varier. Ce gaz 3 est comprimé par un ventilateur 5 ayant un taux de compression d'au plus 2 pour produire un gaz 7 à une pression légèrement au dessus de la pression atmosphérique. Au moins une part du gaz 7 est comprimée par un compresseur 9. L'autre part (gaz 10) peut être recyclée 15 vers l'unité de génération 1 quand le ventilateur est utilisé pour tirer les fumées (ID fan). Le gaz 11 produit par le compresseur 9 est refroidi dans un échangeur de chaleur puis envoyé à une unité de séparation par condensation partielle et/ou par distillation pour produire au moins un fluide riche en CO2. Au moins un fluide produit par la condensation partielle et/ou la distillation se réchauffe, voire se vaporise, dans 20 l'échangeur de chaleur. Si la teneur en CO2 du gaz 11 baisse en entrée de l'unité de séparation 13, cela veut dire que le CO2 dans le gaz 3 est dilué par des gaz incondensables et donc que le débit du gaz 11 en entrée de CPU augmente. Dans ce cas, la pression en sortie du ventilateur 5 doit être augmentée pour diminuer le débit volumique en 25 entrée du compresseur 9. De même, si la teneur en CO2 du gaz 11 augmente en entrée de l'unité de séparation 13, cela veut dire que le CO2 dans le gaz 3 est moins dilué par des gaz incondensables et donc que le débit du gaz 11 en entrée de CPU réduit. Dans ce cas, la pression en sortie du ventilateur 5 doit être réduite pour augmenter le débit 30 volumique en entrée du compresseur 9. Dans l'exemple, la pression d'entrée du compresseur 9 est réglée en fonction du débit 11 mesuré par le débitmètre 8 du gaz 7 et/ou du débitmètre 15 du gaz 11 est utilisé. Cette pression est variée en modifiant le taux de compression du ventilateur 5. 3051893 7 Ainsi si le débit 7 est de 110 000m3/h, la pression d'entrée du compresseur 9 sera de 1, 17 bar, alors que si le débit 7 augmente à 136 000 m3/h, la pression d'entrée du compresseur 9 ne sera que le 1, 01 bar. Dans le premier cas, le débit 7 sera de 127 000 m3/h et dans le deuxième de 126 500 m3/h. 5 Ainsi pour un débit volumique 7 augmentant de 24%, le débit volumique 7 réduit de moins qu'un pourcent et donc reste substantiellement constant. Il sera compris qu'entre le point de soutirage du débit 10 et le compresseur 9, le gaz provenant du ventilateur 5 peut être épuré de différentes façons, par exemple pour enlever le NOx et/ou le SOx. 10 Sinon le ventilateur peut être un ventilateur 5 dont tout le gaz comprimé est envoyé au compresseur 9. Dans ce cas, le débit 10 n'existe pas et le débit 7 n'est pas épuré entre le ventilateur 5 et le compresseur 9. REVENDICATIONS1. Procédé de compression d'un gaz à séparer dans une unité de séparation de CO2 à basse température par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation dans lequel le gaz à séparer (3, 7, 11) est à composition variable et /ou à débit variable, le gaz à séparer est comprimé dans un compresseur (9) pour produire un gaz comprimé, caractérisé en ce que l'on modifie la pression d'entrée du gaz à séparer rentrant dans le compresseur en fonction de la teneur en CO2 et/ou du débit du gaz à séparer afin de réduire les variations de débit volumique du gaz à séparer rentrant dans le compresseur. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel si la teneur en CO2 du gaz à séparer (3, 7, 11) baisse et/ou le débit du gaz à séparer augmente, on augmente la pression du gaz à séparer à l'entrée du compresseur (9). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le débit volumique du débit de gaz à séparer (7) rentrant dans le compresseur (9) est sensiblement zo constant. 4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on pressurise le gaz à séparer (3) en amont du compresseur (9) au moyen d'au moins un ventilateur (5) qui produit un débit à pression variable. 25 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la composition du débit (7) comprimé dans le ventilateur (5) n'est pas modifiée entre le ventilateur et le compresseur (9) . 30 6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le débit comprimé dans le ventilateur (5) est séparé entre le ventilateur et le compresseur (9) pour l'épurer en NOx et/ou en SOx et/ou en poussières. 3051893 9 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel le ventilateur (5) est constitué par deux soufflantes connectées en parallèle ou par une seule soufflante. 5 8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7 dans lequel le ventilateur (5) a un taux de compression inférieur à 2. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz à séparer (3, 7, 11) contient au moins 35% molaire sur base sèche de CO2. 10 10. Procédé de séparation d'un gaz à séparer dans une unité de séparation de CO2 à basse température dans lequel le gaz à séparer (3, 7, 11) est comprimé selon une des revendications précédentes, refroidi par dans un échangeur de chaleur, séparé par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins 15 une étape de distillation pour produire un débit riche en CO2 et un fluide résultant de la condensation partielle et/ou la distillation se réchauffe dans l'échangeur de chaleur. 11. Procédé selon la revendication 10 dans lequel le fluide est un liquide, zo de préférence riche en CO2, qui se vaporise dans l'échangeur de chaleur. 12. Appareil de compression d'un gaz à séparer dans une unité de séparation de CO2 à basse température par au moins une étape de condensation partielle et/ou au moins une étape de distillation dans lequel le gaz à séparer (3, 7, 25 11) est à composition variable et /ou à débit variable comprenant un compresseur (9) pour comprime le gaz à séparer pour produire un gaz comprimé, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (5, 8, 15) pour modifier la pression d'entrée du gaz à séparer rentrant dans le compresseur en fonction de la teneur en CO2 et/ou du débit du gaz à séparer afin de réduire les variations de débit volumique du gaz à séparer 30 rentrant dans le compresseur.