Brevet FR3075656A1 — publié le 20190628

Installation de séparation d'une fraction aqueuse d'un fioul et procédé associé. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine du traitement du combustible des turbines à gaz, et plus particulièrement du traitement du fioul. ART ANTERI EUR Les turbines à gaz utilisent comme combustible soit du gaz soit du fioul. Les systèmes d'acheminement du combustible doivent prévoir en amont de la chambre de combustion des moyens pour éliminer les impuretés et les contaminants du fioul (tels que les sels de sodium, de potassium, de calcium, etc...), qui peuvent provoquer des problèmes lors de la combustion ou générer des sous-produits de la combustion dans les gaz d'échappement. En particulier avec le fioul comme combustible, il est nécessaire de séparer et d'éliminer l'eau (qui peut être contenue dans le fioul à des teneurs pouvant atteindre 10 % massique). Par ailleurs, les sels éventuellement présents dans le fioul non traité, doivent être retirés avec un ajout d'eau dans le fioul. En effet, il est connu d'ajouter une fraction d'eau en plus de celle déjà contenue dans le fioul afin que les sels se dissolvent dans l'eau et soient éliminés lors de la séparation de la fraction aqueuse. La séparation de la fraction aqueuse du fioul est de manière générale 25 basée sur la différence de masses volumiques entre le fioul et l'eau de ladite fraction aqueuse. Les séparateurs électrostatiques et les centrifugeuses sont des moyens connus pour séparer deux liquides de masses volumiques différentes. Cependant ces moyens perdent de leur efficacité lorsque le 30 rapport de masses volumiques fioul/eau est supérieur à 0,98. En effet, certains fiouls utilisés comme combustible des turbines à gaz présentent un rapport de masses volumiques supérieur, compris entre 0,98 et 0,999, tel est le cas pour certains fiouls lourds dénommés « heavy fuel oil » et « heavy crude oil ». 2 Ces deux technologies utilisent le même principe physique général décrit par la loi de Stokes (formule I ci-dessous), pour calculer la vitesse de sédimentation ou de séparation d'une particule ou d'une goutte dans un autre fluide : 5 (I) Dans laquelle : y est la vitesse de chute (en m / s) r est le rayon de la (particule ou) goutte (en m) g, l'accélération de la pesanteur (en m / s2) 10 A (p) = pp - pfl différence de masse volumique entre la (particule ou) goutte (p) et le fluide (f) (en kg / m3) p est la viscosité du fluide (en Pa.$). Les séparateurs électrostatiques permettent de polariser les gouttes d'eau afin de favoriser leur rapprochement et leur coalescence. La taille des 15 gouttelettes en suspension dans le fioul tend à augmenter permettant leur décantation et leur séparation par gravité dans le fond du séparateur. La séparation est ainsi obtenue par l'augmentation du paramètre « r » selon la loi de stokes. La mise en oeuvre de cette technologie nécessite cependant une différence de masse volumique minimale de 0,02 kg / m3 (donc une 20 masse volumique de fioul maximale de 0,98 kg / m3). Les séparateurs par centrifugation font tourner le mélange dans un bol afin d'appliquer une force centrifuge nettement supérieure à la gravité terrestre, ainsi le liquide le plus dense se retrouve dans la périphérie du dispositif. La séparation est ainsi obtenue par l'augmentation du paramètre « g » selon la loi de Stokes. Le document EP 2 181 744 décrit un système pour séparer le matériel solide et/ou l'eau présent dans le fioul d'un système de combustion. En particulier le système propose un arrangement de deux centrifugeuses en ligne permettant de séparer d'avantage un fioul comprenant une fraction aqueuse plus légère. Cette technologie par centrifugation nécessite une différence de masses volumiques minimale de 0,01 kg / m3 entre l'eau et le fioul (donc une masse volumique du fioul maximale de 0,99 kg / m3). La masse volumique du fioul est généralement déterminée par une 3 analyse ponctuelle en amont de la séparation, par analyse d'un échantillon provenant du réservoir. Pour certains fiouls cette valeur de masse volumique peut aller jusqu'à 999 kg/m3 à 15°C, donc une valeur très proche de la masse volumique de l'eau. Une séparation eau/fioul est alors très 5 difficile, voire impossible par l'une ou l'autre des technologies ci-dessus. Tant les séparateurs électrostatiques que les séparateurs par centrifugation perdent donc de leur efficacité lorsque la densité du fioul, c'est-à-dire le rapport de masse volumique fioul/eau est supérieur à 0,98. Par ailleurs, pour traiter un fioul avec une masse volumique 10 supérieure à 0,99 avec l'un ou l'autre des dispositifs décrits ci-dessus, il est connu d'utiliser un additif (ou diluant) pour le fioul, tel que du gasoil, ce qui diminue sa masse volumique et sa viscosité et permet d'améliorer la séparation de la fraction eau du fioul. Cette solution présente comme principaux inconvénients d'augmenter le coût global du combustible et de 15 rendre plus complexe l'installation de traitement du fioul car il faut prévoir des équipements supplémentaires (réservoirs et ajouts de gasoil ou d'autre(s) additif(s)) en amont des dispositifs de séparation. BUTS DE L'I NVENTI ON Un premier but de l'invention est de pallier les inconvénients des 20 installations existantes et de proposer une installation de traitement d'un fioul permettant la séparation d'une fraction aqueuse dudit fioul lorsque le rapport de masses volumiques fioul/eau est supérieur à 0,99, voire compris entre 0,99 et 0,999. L'approvisionnement en fioul de la chambre de combustion de la 25 turbine pouvant varier dans le temps, la nature et donc la masse volumique du fioul peuvent fluctuer : il est donc indispensable de prévoir une installation qui puisse d'adapter à différents rapports de masses volumiques fioul/eau. Un autre but de l'invention est donc de proposer une installation de 30 traitement de fioul permettant la séparation d'une fraction aqueuse du fioul dont le fonctionnement soit modulable sur une plage de rapports de masses volumiques fioul/eau (= densité de fioul) comprise entre 0,90 et 0,999. Un autre but de l'invention est aussi de proposer une installation de traitement de fioul pour une séparation eau/fioul ne nécessitant pas l'ajout 4 d'additifs supplémentaires modifiant la composition chimique du fioul. Un autre but de l'invention est de proposer une installation de traitement de fioul permettant de séparer également les impuretés telles que les sels présents au sein du fioul. 5 DESCRIPTION DE L'INVENTION A cet effet la présente invention concerne une installation de traitement de fioul, avant son introduction dans une chambre de combustion, par séparation d'une fraction aqueuse présente en suspension dans ledit fioul, comportant un circuit de fioul liquide à traiter incluant un 10 module de centrifugation configuré pour séparer ladite fraction aqueuse du fioul, et récupérer le fioul ainsi traité, caractérisée en ce que, le circuit de fioul à traiter étant sous pression, l'installation comporte en série, disposés en amont du module de centrifugation : 15 - un dispositif d'injection d'eau dans le flux dudit fioul à traiter et - un dispositif de coalescence de l'eau présente sous forme de gouttelettes, configuré pour augmenter le diamètre des gouttelettes d'eau en suspension dans le fioul. La combinaison des dispositifs d'injection d'eau et de coalescence en 20 amont du module de centrifugation permet de séparer des fractions aqueuses pour des différences de masses volumiques eau-fioul pouvant être très minimes (voir plus loin : de 0,01 jusqu'à 0,001 kg/m3). L'eau à séparer du fioul peut être déjà présente au sein du fioul (par exemple dans les proportions pouvant atteindre 10 à 15 % massique) dans 25 le réservoir de stockage en amont de l'installation selon l'invention, ou être ajoutée pour entraîner ou dissoudre les sels présents dans le fioul. En ce qui concerne le dispositif de coalescence, la coalescence peut être réalisée par voie électrostatique dans un dispositif dénommé séparateur électrostatique, ou dans un coalesceur, dispositif équipé de filtres ou de 30 membranes sur lesquels les gouttelettes d'eau viennent se déposer et se rassembler. De manière avantageuse, le circuit de fioul à traiter comprend un ou plusieurs échangeurs de chaleur configurés pour augmenter la température du fioul en amont du dispositif de coalescence. En effet, ce ou ces 5 échangeur(s) permettent de diminuer la viscosité du fioul et d'améliorer encore la séparation de la fraction aqueuse. De plus, il s'avère que les densités de l'eau et du fioul évoluent de manière différente avec la température, une augmentation de la température conduisant à un 5 accroissement de la différence des masses volumiques entre la fraction d'eau et le fioul, ce qui contribue également à une meilleure séparation de la fraction aqueuse du fioul. L'installation comprend avantageusement un module mélangeur disposé entre le dispositif d'injection d'eau et le dispositif de coalescence. Ce 10 mélangeur a pour fonction principale de mettre l'eau injectée, et l'eau éventuellement présente initialement dans le fioul, sous forme de fines gouttelettes d'eau en suspension dans ledit fioul et d'homogénéiser l'ensemble eau-fioul, avant l'entrée dans le dispositif de coalescence afin de faciliter la dissolution des sels présents dans l'eau. 15 Selon deux variantes de l'installation selon l'invention, le circuit de fioul à traiter peut comprendre des voies de contournement (appelées by-pass), pour pouvoir traiter, avec la même installation de base, des fiouls de densités différentes : - suivant une première variante, le circuit de fioul comprend une voie 20 de contournement (bypass A) du dispositif de coalescence des gouttelettes d'eau, pour traiter un fioul dont le rapport de masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,98 et 0,99 ; - suivant une seconde variante, le circuit de fioul comprend une voie de contournement (bypass B) du module de centrifugation des gouttelettes 25 d'eau, pour traiter un fioul dont le rapport de masses volumiques fioul/eau est inférieur à 0,98. Ainsi l'installation de traitement de fioul selon la présente invention est configurée pour séparer des fractions d'eau présentes dans ledit fioul sur une très large gamme de densités de fioul, c'est à dire de rapports des 30 masses volumiques fioul/eau pouvant aller de 0,90 à 0,999. Une telle installation assure une plus grande flexibilité en fonction de l'approvisionnement en fioul et permet de réduire les coûts des opérations de traitement. L'installation selon l'invention est en outre particulièrement adaptée pour séparer des fractions d'eau dudit fioul lorsque le rapport des 6 masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,99 et 0,999. Lorsque la présence de sels (tels que des sels de sodium, de calcium etc...) pouvant être dissous dans l'eau ajoutée est importante, la masse volumique de la fraction aqueuse est augmentée, augmentant ainsi la 5 différence de masse volumique entre les gouttelettes d'eau (p) et le fioul (f) A (p) = pp - pf, et donc la vitesse de séparation de la fraction aqueuse. La présente invention concerne également un procédé de de traitement de fioul par séparation d'une fraction aqueuse d'un fioul avant son introduction dans une chambre de combustion, dans lequel le rapport 10 des masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,90 et 0,999, caractérisé en ce qu'il est réalisé au moyen de l'installation décrite ci-dessus et comprend les étapes successives suivantes : -i) réchauffage éventuel du fioul à traiter, -ii) injection d'eau dans le flux dudit fioul à traiter, 15 - i i i) homogénéisation du mélange eau/fioul sous forme de gouttelettes d'eau en suspension dans ledit fioul à traiter, -iv) coalescence des gouttelettes d'eau pour former des gouttes d'eau de diamètre supérieur, et/ou -y) séparation de la fraction aqueuse dudit fioul par décantation 20 et/ou centrifugation des gouttes d'eau, puis -vi) récupération du fioul traité. L'étape de coalescence est de préférence réalisée par voie électrostatique. La décantation peut avoir lieu par exemple directement dans le 25 dispositif de coalescence, si la taille des gouttes d'eau coalescées est importante, et si par exemple la voie de contournement B est fermée De manière avantageuse, lorsque ledit procédé est mis en oeuvre dans une installation selon l'invention comportant en série un dispositif de coalescence et un module de centrifugation, il permet de séparer l'eau 30 lorsque le rapport des masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,99 et 0,999. Le procédé selon la présente invention est particulièrement approprié pour les fiouls de densité inférieure à celle de l'eau. Dans le cas contraire un additif est utilisé pour changer(abaisser) la densité du fioul. 7 Comme indiqué précédemment l'augmentation de la température du mélange eau-fioul par passage dans des échangeurs de chaleur peut avantageusement favoriser l'efficacité du procédé de séparation par réduction de la viscosité et augmentation de la différence de masses 5 volumiques. Lorsque le rapport des masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,98 et 0,99 le procédé peut utiliser uniquement la séparation par centrifugation pour éliminer l'eau, au moyen de l'installation en utilisant la voie de contournement A, selon la première variante de réalisation. 10 Lorsque le rapport des masses volumiques fioul/eau est inférieur à 0,98, le procédé selon l'invention peut mettre en oeuvre uniquement l'étape de coalescence pour séparer l'eau du fioul, au moyen de l'installation en utilisant la voie de contournement B, selon la seconde variante de réalisation. 15 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels : -la figure 1 est un schéma d'ensemble d'une installation selon un premier exemple de réalisation de l'invention ; 20 -la figure 2 est un schéma d'ensemble d'une installation selon un deuxième exemple de réalisation de l'invention. EXEMPLES DE REALI SATI ON Exemple 1 La Figure 1 montre l'arrangement d'une installation, selon un premier 25 mode de réalisation de la présente invention, de séparation de la fraction aqueuse d'un fioul en amont d'une chambre de combustion. Cette installation comprend en série, dans le circuit du fioul, un premier échangeur 1, un deuxième échangeur 3 alimenté en eau chaude 13 avec retour 23, un dispositif d'injection d'eau 7, un module mélangeur 4, un 30 dispositif de coalescence 5 qui est ici un séparateur électrostatique et un module de centrifugation 6. Le module de centrifugation est couplé à une sortie d'eau et une sortie du fioul traité, ledit fioul traité retournant vers le premier échangeur 1 pour réchauffer le fioul entrant dans l'installation, avant d'être finalement dirigé vers une ou plusieurs chambre(s) de 8 combustion (non représentée(s)). Un premier exemple du procédé de traitement selon l'invention au moyen de l'installation selon la figure 1 est décrit ci-après. Les indications de températures sont données à titre d'exemples et ne sont nullement 5 limitatives. Le fioul non traité (à basse température, par exemple à 30°C) entre dans l'installation au moyen d'une pompe ; il est alors réchauffé dans le premier échangeur 1 fioul-fioul (appelé aussi économiseur) pour atteindre une température d'environ 80°C, puis dans le deuxième échangeur 3 fioul- 10 eau (appelé aussi réchauffeur) pour atteindre une température de 110°C afin de diminuer la viscosité et augmenter la différence de densité eau-fioul. Ensuite, de l'eau est injectée, au moyen du dispositif d'injection 7, dans le circuit du fioul. L'eau est mélangée au fioul dans le module mélangeur 4 pour mettre en suspension la fraction aqueuse sous forme de 15 fines gouttelettes. Cependant, le dispositif d'injection d'eau 7 et le mélangeur 4 peuvent être placés n'importe où en amont du séparateur électrostatique 5, dans tous les cas sa température doit avantageusement être proche de celle du fioul. L'eau ajoutée sert en particulier à entraîner ou dissoudre les sels présents dans le fioul avant de rentrer dans le séparateur 20 électrostatique 5. La fonction du séparateur électrostatique 5 est de favoriser le rapprochement des gouttelettes d'eau et par conséquent l'augmentation de la taille de celles-ci. Lorsque la densité du fioul est comprise entre 0,99 et 0,999, il n'est pas attendu de décantation dans le séparateur 25 électrostatique, c'est donc toujours un mélange d'eau et de fioul qui en sort, mais présentant des gouttes d'eau de rayon plus important (« r » dans la formule (I) de la loi de Stokes). Ce mélange rentre ensuite dans le module de centrifugation 6 dans laquelle aura lieu la séparation par augmentation de l'accélération 30 gravitationnelle (« g » dans la formule (I) de la loi de Stokes). Cette opération est possible avec du fioul de densité comprise entre 0,99 et 0,999, car la taille de gouttes a été augmentée dans le séparateur électrostatique 5 qui toutefois ne peut pas séparer la fraction aqueuse à cause d'une différence de densité trop faible. 9 Dans le cas où l'eau est chargée en sels capturés dans le fioul, la fraction d'eau peut présenter une densité supérieure à l'eau initialement introduite dans le circuit. Ce phénomène augmente la différence de masse volumique entre l'eau et le fioul facilitant ainsi la séparation. Cependant, 5 lorsque l'installation selon l'invention traite du fioul peu salé, cette augmentation de masse volumique est considérée comme négligeable. Le fioul séparé, qui se trouve à environ 110°C, est ensuite renvoyé vers le premier échangeur 1 fioul-fioul en entrée de l'installation, puis sort vers la combustion à une température d'environ 60°C. 10 Ainsi, le procédé mis en oeuvre dans une telle installation permet de combiner l'optimisation des deux paramètres : r puis g de la loi de Stokes, ainsi que la viscosité, pour obtenir la séparation d'une fraction d'eau d'un fioul avec une densité supérieure à 0,99 et jusqu'à 0,999. Exemple 2 15 La Figure 2 montre l'arrangement d'une installation, selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, de séparation de la fraction aqueuse d'un fioul en amont d'une chambre de combustion. Cette installation comprend en série, dans le circuit du fioul, les mêmes éléments que l'installation de la figure 1, avec, en plus : 20 -un échangeur supplémentaire 2 disposé entre le premier échangeur 1 et le deuxième échangeur 3 : il est alimenté par un flux de fioul qui est issu du séparateur 5 avant son passage dans le module de centrifugation 5. - et des voies de contournement : bypass A ou bypass B, schématisés en pointillés, respectivement du séparateur électrostatique, et du module de 25 centrifugation. L'installation selon ce deuxième mode de réalisation permet en particulier d'optimiser le procédé de traitement du fioul grâce à une régulation différenciée de la température du fioul à l'entrée du chaque 30 dispositif séparateur : séparateur électrostatique 5 et module de centrifugation 6. Le fioul à traiter rentre dans l'installation à basse température, par exemple à 30°C et passe par un premier échangeur 1 (ou économiseur) fioul-fioul où il est réchauffé une première fois, par exemple à 80°C, puis 10 traverse l'échangeur supplémentaire 2 (ou économiseur) fioul/fioul où il est réchauffé une deuxième fois, par exemple à 110°C. Le fioul passe ensuite dans ledit deuxième échangeur 3 eau/fioul dans lequel il est réchauffé une troisième fois par exemple à 140°C. 5 De l'eau est injectée dans le flux du fioul et mélangée dans le module mélangeur 4. L'eau ajoutée sert à capturer les sels présents dans le fioul et le mélange passe ensuite dans un dispositif de traitement électrostatique (5), permettant de favoriser le regroupement de petites gouttelettes en suspension dans le fioul afin de former des gouttes de plus grande taille, qui 10 peuvent décanter par gravité dans le séparateur électrostatique 5. Toutefois, si la densité du fioul, (c'est-à-dire le rapport des masses volumiques fioul/eau) est comprise entre 0,98 et 0,999 les gouttes d'eau ne peuvent pas être séparées par décantation dans le séparateur électrostatique 5. Si tel est le cas le mélange de fioul comprenant les 15 gouttes d'eau (avec les sels) en suspension passe par l'échangeur 2 dans lequel sa température est réduite une première fois (par exemple à 110 °C) à la température de fonctionnement du module de centrifugation 6. La séparation finale des gouttes d'eau et du fioul s'effectue alors par centrifugation. Enfin, le fioul est retourné vers le premier échangeur 1 et sa 20 température est réduite une deuxième fois afin d'atteindre par exemple 60°C. Selon deux variantes de réalisation, l'installation peut comprendre deux voies de contournement (bypass A ou bypass B) schématisées en pointillés sur la figure 2, permettant d'optimiser le procédé de traitement 25 afin d'assurer le fonctionnement dans une large plage de rapport de masses volumiques fioul/eau, par exemple comprise entre 0,90 et 0,999. Le premier bypass A permet de contourner le dispositif électrostatique 5, par exemple lorsque le rapport de masses volumiques fioul/eau est entre 0,98 et 0,99. En, effet la séparation de l'eau s'effectue alors uniquement par 30 le module de centrifugation 6 placé en aval. Le deuxième bypass B peut être utilisé pour contourner le dispositif de centrifugation 6, lorsque le rapport de masses volumiques fioul/eau est inférieur à 0,98, la séparation de l'eau s'effectuant par décantation uniquement par le dispositif électrostatique 5. 11 Enfin lorsque le rapport de masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,99 et 0,999 le fioul à traiter passe obligatoirement par le séparateur électrostatique 5 puis par le module de centrifugation 6, la séparation de l'eau s'effectuant uniquement dans le module de centrifugation 6. 5 L'installation selon l'invention équipée de ces voies de contournement permet de traiter le fioul dans une large gamme de masses volumiques, sans modifier l'architecture générale de l'installation, et sans ajout de réactifs, ni d'additifs, autre que de l'eau, REVENDICATIONS1. Installation de traitement de fioul, avant son introduction dans une chambre de combustion, par séparation d'une fraction aqueuse présente en suspension dans ledit fioul, comportant un circuit de fioul liquide à traiter incluant un module de centrifugation (6) configuré pour séparer ladite fraction aqueuse du fioul, et récupérer le fioul ainsi traité, caractérisée en ce que, le circuit de fioul à traiter étant sous pression, l'installation comporte en série, disposés en amont du module de centrifugation : - un dispositif d'injection d'eau (7) dans le flux dudit fioul à traiter et - un dispositif de coalescence (5) de l'eau présente sous forme de gouttelettes, configuré pour augmenter le diamètre des gouttelettes d'eau en suspension dans le fioul. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de fioul à traiter comprend un ou plusieurs échangeurs (1, 2, 3) de 15 chaleur configurés pour augmenter la température du fioul en amont du dispositif de coalescence (5). 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un module mélangeur (4) disposé entre le dispositif d'injection d'eau (7) et le dispositif de coalescence (5). 20 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit de fioul comprend une voie de contournement (bypass A) du dispositif de coalescence des gouttelettes d'eau. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 caractérisée en ce que le circuit de fioul comprend une voie de contournement (bypass B) du module de centrifugation. 6. Procédé de traitement de fioul par séparation d'une fraction aqueuse d'un fioul avant son introduction dans une chambre de combustion, dans lequel le rapport des masses volumiques fioul/eau est compris entre 30 0,90 et 0,999, caractérisé en ce qu'il est réalisé au moyen de l'installation selon l'une quelconque des revendications précédentes et comprend les étapes successives suivantes : -i) réchauffage éventuel du fioul à traiter, 13 -ii) injection d'eau dans le flux dudit fioul à traiter, -iii) homogénéisation du mélange eau/fioul sous forme de gouttelettes d'eau en suspension dans ledit fioul à traiter, -iv) coalescence des gouttelettes d'eau pour former des gouttes 5 d'eau de diamètre supérieur, et/ou -y) séparation de la fraction aqueuse dudit fioul par décantation et/ou centrifugation des gouttes d'eau, puis -vi) récupération du fioul traité. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est mis en 10 oeuvre dans une installation conforme aux revendications 1 à 3 en vue de séparer l'eau lorsque le rapport des masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,99 et 0,999. 8. Procédé selon la revendication 6, en relation avec la revendication 4 caractérisé en ce qu'il utilise uniquement la séparation par centrifugation 15 pour éliminer l'eau lorsque le rapport des masses volumiques fioul/eau est compris entre 0,98 et 0,99. 9. Procédé selon la revendication 6, en relation avec la revendication 5, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre uniquement l'étape de coalescence par voie électrostatique pour séparer l'eau du fioul lorsque le rapport des 20 masses volumiques fioul/eau est inférieur à 0,98. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6, 7 ou 9, caractérisé en ce que l'étape de coalescence est réalisée par voie électrostatique.