Brevet FR3138810A1 — publié le 20240216

Un procédé d’alimentation en CO 2 gazeux d’un site comportant une installation (20) nécessitant du CO 2 ou un mélange comportant du CO 2 , telle qu'un abattoir ou encore une serre de culture de végétaux, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes : on dispose au sein dudit site d'une chaudière (4) apte à fournir de l'eau chaude au site, cette chaudière mettant en oeuvre une oxy-combustion entre un combustible (14) et de l'oxygène pur (1), l'oxygène alimentant la chaudière étant obtenu à partir d'une source d'oxygène liquide présente sur le site; on procède à la récupération de tout ou partie du CO 2 contenu dans les fumées produites par la chaudière, par le fait que l'on organise, dans un échangeur (2), un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide. Figure 1 Système d’alimentation en CO 2 gazeux d’une installation nécessitant du CO 2 ou un mélange comportant du CO 2 , telle qu’un abattoir ou encore une serre de culture de végétaux La présente invention concerne les procédés et installations utilisant du CO 2 gazeux, notamment dans l’industrie agro-alimentaire. On trouve dans ce domaine notamment le secteur de la boisson, les atmosphères modifiées pour la conservation des produits alimentaires, ou l’anesthésie de volailles dans les abattoirs, ou bien encore la culture de végétaux sous serre. Le besoin de CO2 dans les pays développés est toujours croissant (notamment pour les applications citées ci-dessus). Ce CO 2 est majoritairement issu des usines d’engrais et de méthanol (sous-produit) ou encore des usines de production d’hydrogène. La disponibilité de cette molécule devient dès lors critique en raison des arrêts fréquents des usines de production d'engrais et des tensions géopolitiques, qui ont alors un impact fort sur le prix du gaz. On observe alors couramment dans de nombreux pays, en raison de ces crises fréquentes, le fait que par exemple des serristes n’ont pas été livrés en CO 2 marchand plusieurs mois par an ces dernières années, ce qui a, on le comprend bien, un impact direct sur leur productivité. A cela s’ajoutent des contraintes environnementales fortes, du fait de la volonté des Pays Développés de réduire les émissions de gaz à effet de serre, ce qui va impacter directement les méthodes de production du CO 2 , en favorisant la recherche de solutions visant à réduire l'empreinte carbone. La présente invention s’attache à proposer une solution innovante pour produire du CO 2 sur le site même d’un utilisateur de ce CO 2 . Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la présente invention se propose d’utiliser le ou les équipements de production de chaleur (chaudières) présents traditionnellement sur de tels sites, en le ou les convertissant à l’oxycombustion. De cette manière, la chaleur produite par les chaudières sera issue de la production du CO 2 et considérée de ce fait comme “chaleur fatale” au sens de la législation. L’oxycombustion est un procédé de combustion dans lequel le gaz comburant n’est plus de l’air mais de l’oxygène « pur » (i.e caractérisé par une pureté généralement supérieure à 95%, et 99% pour l’oxygène liquide). L’oxy-combustion (donc à l’oxygène et non pas à l’air) est déjà mise en œuvre par certaines industries fonctionnant à haute température (verreries, cimenteries, usines de métallurgie…) car celle-ci apporte un certain nombre d’avantages parmi lesquels on peut citer : La diminution du volume des fumées grâce à la diminution/suppression du ballast d’azote. L’augmentation du rendement thermique directement lié à la diminution du volume des fumées (du fait de moindres pertes thermiques dans les fumées). L’intensification des transferts thermiques grâce à deux phénomènes : l’augmentation de la température de flamme et l’augmentation des flux thermiques de rayonnement due à des fumées essentiellement composées de gaz émetteurs (CO 2 , H 2 O). La réduction des émissions polluantes type NOx thermiques ou dioxines (liée à la réduction du volume de comburant). La littérature spécialisée annonce ici des gains allant de 10 à 40 % sur le combustible. La chauffe du comburant et du combustible permet également une baisse de la consommation de ce dernier. L’objectif est en effet d’augmenter la teneur en CO 2 des fumées de combustion en éliminant le ballast d’azote, celles-ci contenant alors majoritairement du CO 2 et de l’eau. Plus l’oxygène utilisé pour la combustion est pur, plus les fumées de combustion se rapprochent d’un mélange binaire H 2 O/CO 2 . La principale étape du captage de CO 2 consiste alors à condenser l’eau. Un autre avantage important réside dans la réduction du volume des fumées à traiter. Les contaminants résiduels sont moins dilués qu’en combustion en air combustible. On s’intéresse donc selon la présente invention à des sites utilisateurs de CO 2 , munis par ailleurs d'une chaudière apte à fournir de l'eau chaude au site, cette chaudière, notamment à condensation, mettant en oeuvre une oxy-combustion entre un combustible (CH 4 , C 3 H 8 …). et de l'oxygène pur, l'oxygène alimentant la chaudière étant obtenu à partir d'une source d'oxygène liquide présente sur le site. Et l’on procède alors selon la présente invention à la récupération de tout ou partie du CO 2 contenu dans les fumées produites par la chaudière, par le fait que l'on organise, dans un échangeur, un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide. C’est en effet le mérite de la présente invention d’avoir proposé de tirer profit des frigories « gratuites » de l'oxygène liquide présent déjà sur le site, pour épurer et dans certains cas liquéfier le CO 2 présent dans le fumées produites par la chaudière, ceci sans l’apport d'énergie électrique qui serait normalement nécessaire à un tel changement d'état (par compression détente). Le CO 2 “pur” ainsi obtenu (récupéré) sous sa forme gaz ou liquide peut être stocké (séquestré) en vue d’une utilisation ultérieure sur le site considéré, ou bien utilisé « en flux tendu », en flux « synchronisé » avec le besoin d’eau chaude et donc l’opération de la chaudière. L’échangeur thermique utilisé peut être à titre illustratif un échangeur à plaques, ou encore un échangeur tubulaire. Au sein de l’échangeur, est réalisé, du fait de l’abaissement de la température, un changement d’état du CO2 qui est liquide à 20bars / - 20°C. Le fonctionnement d’une chaudière gaz à condensation reprend le même principe qu’une chaudière traditionnelle et permet en plus de tirer profit de toute l’énergie produite lors de la combustion du gaz. Dans une chaudière classique, le circuit d’eau du chauffage central est réchauffé grâce à la combustion du gaz naturel. La chaudière gaz à condensation tire profit de l’énergie contenue dans les fumées de combustion. Les fumées émises lors de la combustion du gaz naturel contiennent de la vapeur d’eau, cette dernière condense, en libérant de la chaleur. L’eau de retour du circuit de chauffage se réchauffe grâce à cette énergie, et l’évacuation de l’eau libérée lors de la condensation (les condensats) se fait par le réseau des eaux usées. A titre d’exemple on peut considérer que pour l’anesthésie de poulets ou de cochons, le besoin de CO 2 est avantageusement synchronisé avec le besoin d'eau chaude, la baisse de température obtenue par la valorisation des frigories de l’oxygène liquide permet d'épurer le gaz CO 2 (à 20 bars et -20°C par exemple, seul le CO 2 sera liquide). Toujours à titre d’exemple, pour d’autres applications, par exemple des serres de cultures de végétaux, il est avantageux de stocker le CO 2 liquide dans un réservoir CO 2 traditionnel pour l'utiliser à un autre moment. A titre d’exemple pour les serres de tomates, les serristes chauffent la serre la nuit, donc produisent du CO 2 la nuit, tandis qu’ils nécessitent du CO 2 le jour pour la photosynthèse, il est donc nécessaire de stocker le CO 2 dans un réservoir cryogénique. La présente invention concerne alors un procédé d’alimentation en CO 2 gazeux d’un site comportant une installation nécessitant du CO 2 ou un mélange comportant du CO 2 , telle qu'un abattoir ou encore une serre de culture de végétaux, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes : on dispose au sein dudit site d'une chaudière apte à fournir de l'eau chaude au site, cette chaudière mettant en oeuvre une oxy-combustion entre un combustible et de l'oxygène pur, l'oxygène alimentant la chaudière étant obtenu à partir d'une source d'oxygène liquide présente sur le site; on procède à la récupération de tout ou partie du CO 2 contenu dans les fumées produites par la chaudière, par le fait que l'on organise, dans un échangeur, un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide. La présente invention est donc également relative à un procédé et appareil de purification et liquéfaction de CO 2 , sur le site utilisateur, ceci en valorisant les frigories de l’oxygène liquide présent sur le site. Cette liquéfaction du CO 2 peut être précédée d'un ou plusieurs traitements des fumées par des méthodes de séparation physique et/ou chimique, mais également cryogénique, visant à : chauffer l’oxygène et le gaz combustible, pour améliorer la combustion et réduire les rejets d’oxydes d'azote ; condenser la vapeur d’eau des fumées et récupérer parfaitement la chaleur de condensation ou énergie latente (en abaissant la température des fumées la vapeur d'eau se transforme en eau liquide). supprimer d'éventuelles poussières générées par le foyer de la chaudière (poussière réfractaire). A titre d’exemple, l’Oxy-Combustion au méthane nécessite 64g d'oxygène pour 16 g de CH 4 et produira 36 g d’eau qui seront facilement séparées et 44g de CO 2 . Le rapport O 2 / CO 2 est donc de 64/44= 1,45. Le CO 2 nécessite approximativement 85 Kcal/kg pour passer de +20°C à -20°C (20 bar). L'oxygène liquide libère 71,7 Kcal/kg à 8 bars de sa forme liquide à une température de - 30°C. La puissance frigorifique théorique disponible est donc de (71,7 x 1,45) + 103 Kcal pour liquéfier un kg de CO 2 . Les avantages de l’utilisation d’oxygène liquide précédemment cités permettent à l’utilisateur d’une telle oxycombustion de financer une bonne partie (voire la totalité) de l'oxygène nécessaire à la combustion. Sachant que le choix de la séquestration du CO 2 est de valoriser ce gaz sur des procédés qui utilisent habituellement un CO 2 marchand, l’utilisateur dispose ici d’un CO 2 largement compétitif, cet utilisateur a par ailleurs réduit ses rejets de CO 2 en réduisant sa consommation de CH 4 et en n'utilisant pas de source « marchande » de CO 2 , puisque la source est récupérée sur le site. La annexée illustre un exemple d’équipement convenant pour la mise en œuvre de l’invention, dans le cas d’une utilisation sur le site considéré pour faire de l’anesthésie de volailles en tunnel. Dans le cas de cette installation, on a travaillé dans des conditions où le besoin de CO 2 est synchronisé avec le besoin d'eau chaude : de l'eau chaude est utilisée pour déplumer les volailles et du CO 2 gazeux est utilisé pour endormir les volailles. Dans ce cas-ci il n’était pas nécessaire de liquéfier le CO 2 . La nomenclature des éléments présents sur cette est la suivante : 1 : stockage oxygène liquide. 2 : vaporisateur O 2 . : cet échangeur 2 réalise l’échange thermique entre les fumées et l’oxygène liquide, on y abaisse la température des fumées à une température typiquement proche de 2°C pour enlever le maximum d’eau possible, et garder alors du CO 2 . 3 : platine de régulation de l’injection de O 2 et CH 4 . 4 : chaudière. 5 : bruleur. 6 : module d’analyse des fumées. 7 : épurateur cryogénique. 8 : turbine basse pression (la turbine 8 permet d'aspirer les fumées en provenance de l’échangeur 7 et de les envoyer dans le tunnel 20, en contrant par ailleurs les pertes de pression intervenant aux différentes étapes précédentes). 9 : vanne de régulation (qui est pilotée par le tunnel d'anesthésie, si le tunnel est à l'arrêt les gaz sont envoyés à l’extérieur, tandis que plus le tunnel nécessite du CO 2 plus la vanne s’ouvre vers le circuit du tunnel). 10 : réchauffeur CH 4 (ce réchauffeur permet de réchauffer le gaz combustible avant de l’envoyer dans le brûleur). 11 : réchauffeur O 2 (ce réchauffeur permet de réchauffer l'oxygène avant de l’envoyer dans le brûleur). 12 : condenseur fumées (permet de réchauffer l’eau avant de l’envoyer dans la chaudière). 13 : eau de ville ou forage, qui sera chauffée pour l'utilisation du site, mais cette eau qui est froide (généralement 10 à 20 °C) , permet également d'abaisser la température des fumées en sortie de chaudière. 14 : combustible nécessaire à chauffer l’eau, par la chaudière, ce combustible peut être également chauffé pour augmenter le rendement de combustion. 20 : tunnel anesthésie de volailles. Détaillons dans ce qui suit ce qui intervient aux différents équipements présents sur la , ainsi qu’un exemple de mise en œuvre donnant les caractéristiques thermiques des fluides intervenant à chaque étape, données ne représentant qu’un exemple de mise en œuvre qui ne sont qu’illustratives des équipements et conditions opératoires utilisés ici : Au niveau de la chaudière 4 : l’eau de ville y entre à une température voisine de 25°C et en ressort à une température voisine de 85°C, les fumées sortent de la chaudière à une température voisine de 220°C. au niveau du réchauffeur 10, le gaz combustible entre à une température voisine de 15°C et en sort à une température voisine de 95°C, et les fumées sortent de cet élément 10 à une température voisine de 210°C. au niveau du réchauffeur 11, l’oxygène entre à une température voisine de 5°C et en ressort à une température voisine de 95°C, et les fumées sortent de cet élément 11 à une température voisine de 200°C. au niveau du condenseur 12, l’eau de ville y entre à une température voisine de 5°C et en ressort à une température voisine de 25°C, et les fumées sortent de cet élément 12 à une température voisine de 90°C (L'échangeur 12 permet donc de récupérer des calories dans les fumées et préchauffe l'eau qui va rentrer dans la chaudière ( principe des chaudières à condensation)). au niveau de l’échangeur 2, l’oxygène entre à une température voisine de -183°C et en ressort à une température voisine de +5°C, et les fumées sortent de cet élément 2 à une température voisine de +2°C. A cette étape, l’eau est entièrement condensée, il ne reste que du CO 2 . au niveau de l’élément 7, l’eau de ville y entre à une température voisine de 15°C et en ressort à une température voisine de 5°C, et les fumées sortent de cet élément 7 à une température voisine de 10°C (l'échangeur 7 permet donc de remonter la température du CO 2 autour de 10-12°C après en avoir enlevé l'eau, ce qui est requis pour de telles application d’anesthésie selon les législations en vigueur) . Considérons dans ce qui suit l’exemple d’un abattoir de 40 tonnes/h, anesthésiant dans les conditions suivantes : Un besoin de CO2 de 5 gr par kg de volaille Pour une production de 10000 poulets par heure, en considérant des poulets pesant en moyenne 2,2 kg chacun, on obtient un besoin de 110 kg de CO 2 par heure, d’où 2500 mol/h de CO 2 , et donc 2500 x 2 = 5 000 mol/h d’oxygène, i.e 160 Kg d'oxygène. 2500 mol de CH 4 x 16 = 40 kg de CH 4 par heure. Considérant que la combustion du méthane à 25 °C libère une énergie de 39,77 MJ/m 3 (55,53 MJ/kg ), soit 11,05 kWh/m 3 (15,42 kWh/kg= 616 KWh). La masse de CO 2 rejetée par mole d’octane consommée est de 44 g. Le rapport consommation de méthane/ rejets de CO 2 est de 44/16 = 2,75 g. 1 kg de méthane rejette 2,75kg de CO 2 . Un gain de 20% sur le CH 4 (gain d’énergie avec absence azote + élévation T°C comburant/combustible, transferts radiatifs) : (616/100)x20=123 Kw 123 x 0,10€ le Kw gaz (prix que l’on peut considérer comme référence) = 12,3€ par heure Dans les conditions de la présente simulation, le gain sur le gaz naturel permet de payer une partie de l'oxygène pour l'élaboration du CO 2 : 160 x 0,088€ le kg= 14,08€ O 2 par heure 14,08 - 12,3 = 1,78€ pour 110 kg de CO 2 soit 1,78/110 x 1000= 16,1 . Ce qui revient à un coût du CO 2 à 16,1€/Tonne Si aucun gain n’intervient sur la combustion, le prix du CO 2 est voisin de 134,5€ la tonne (à comparer à environ 150€/Tonne pour le CO 2 marchand). On considère généralement dans ce domaine des tunnels d’anesthésie de volailles que l’on souhaite atteindre une teneur en CO 2 dans le tunnel qui est au moins de 55%. Et donc il faut souligner le fait qu’un combustion air/CH 4 ne permettrait pas d’atteindre des valeurs suffisantes de CO 2 dans les fumées (la présence d’azote dans l’air de combustion limite la concentration à 11,5% de CO 2 ). On vient de développer en détails dans le cadre de la l’exemple d’une installation d’anesthésie de volailles en tunnel, où l’on a travaillé dans des conditions où le besoin de CO 2 est synchronisé avec le besoin d'eau chaude : de l'eau chaude est utilisée pour déplumer les volailles et du CO 2 gazeux est utilisé pour endormir les volailles, il n’est dès lors pas nécessaire ici de liquéfier le CO 2 . Mais dans d’autres applications, il sera utile de liquéfier le CO 2 , par exemple citons le cas d’une utilisation du CO 2 pour les serristes, le besoin de CO 2 correspond à la photosynthèse de la plante donc dans la journée, tandis que le besoin de chauffer la serre est majoritairement effectif durant la nuit ( où il fait plus froid). Donc pour ces utilisateurs il est avantageux de liquéfier le CO 2 la nuit pour le distribuer le jour (à la lumière du soleil). On configurera alors l’échangeur 2 pour descendre à -20°C et 20 bars, en ayant ajouté un compresseur à l'entrée de l'échangeur 2, le moyen 8 n’ayant alors plus de raison d’être dans une telle application (on notera que cette variante « serriste » n’est pas représentée sur la ). L’échangeur 2 pour effectuer une telle liquéfaction peut être également un cryo-condenseur, qui est un échangeur de chaleur fonctionnant à basse température, l’effluent gazeux issu du procédé industriel pénètre à l’intérieur d’une calandre, puis chemine à travers une série de chicanes, autour d’un faisceau tubulaire à ailettes dans lequel circule un cryogène liquide. On l’a dit, le CO 2 est un gaz qui change d'état en phase solide à une pression proche de 4,7 bar, il faut donc éviter de s'approcher de cette pression. Une pression entre 16 bar et 20 bar est économiquement favorable, tandis qu’une température de - 20°C nécessite peu d’investissements en termes d’isolation . On considère donc généralement que le couple « 20 bar, -20°C » représente le meilleur compromis. Un procédé d’alimentation en CO 2 gazeux d’un site comportant une installation (20) nécessitant du CO 2 ou un mélange comportant du CO 2 , telle qu'un abattoir ou encore une serre de culture de végétaux, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes : on dispose au sein dudit site d'une chaudière (4) apte à fournir de l'eau chaude au site, cette chaudière mettant en oeuvre une oxy-combustion entre un combustible (14) et de l'oxygène pur (1), l'oxygène alimentant la chaudière étant obtenu à partir d'une source d'oxygène liquide (1) présente sur le site; on procède à la récupération de tout ou partie du CO 2 contenu dans les fumées produites par la chaudière, par le fait que l'on organise, dans un échangeur (2), un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le CO2 ainsi récupéré est sous sa forme gazeuse et il est stocké (séquestré) en vue d’une utilisation ultérieure sur le site considéré, ou bien utilisé « en flux tendu », en flux « synchronisé » avec le besoin d’eau chaude. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le CO2 ainsi récupéré est sous sa forme liquide et il est stocké dans un réservoir pour CO 2 liquide en vue d’une utilisation ultérieure sur le site considéré. Procédé selon la revendication 3, se caractérisant en ce que ledit échangeur dans lequel on organise un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide est configuré pour amener les fumées entrant dans l’échangeur dans des conditions de pression et température permettant la liquéfaction du CO 2 présent dans ces fumées, en tirant ainsi profit des frigories de l’oxygène liquide présent sur le site, ceci sans nécessité d’un apport d'énergie électrique qui serait normalement nécessaire à un tel changement d'état. Procédé selon la revendication 2, où ladite installation nécessitant du CO 2 est une installation d’anesthésie de volailles ou d’autres animaux, avant abattage. Procédé selon la revendication 3 ou 4, où ladite installation nécessitant du CO 2 est une installation de culture de végétaux sous serre, où le besoin de CO 2 intervient essentiellement durant la journée, tandis que le besoin de chauffer la serre intervient essentiellement durant la nuit, le CO 2 récupéré sous forme liquide durant la nuit i.e durant la phase d’opération de la chaudière étant stocké dans un réservoir pour CO 2 liquide en vue d’une utilisation de ce CO 2 durant la journée lorsque la serre le nécessite. Procédé selon l’une des revendication précédentes, se caractérisant en ce que ledit échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide est précédé par un ou plusieurs traitements des fumées (12, 11, 10, 7, …) par des méthodes de séparation physique et/ou chimique et/ou cryogénique, visant à réaliser une ou plusieurs des actions suivantes : chauffer l’oxygène et le gaz combustible, pour améliorer la combustion intervenant dans la chaudière et réduire les rejets d’oxydes d'azote ; condenser la vapeur d’eau des fumées ; supprimer d'éventuelles poussières générées par le foyer de la chaudière . Dispositif d’alimentation en CO 2 gazeux d’un site comportant une installation (20) nécessitant du CO 2 ou un mélange comportant du CO 2 , telle qu'un abattoir ou encore une serre de culture de végétaux, site qui comporte une chaudière (4) apte à fournir de l'eau chaude au site, cette chaudière mettant en oeuvre une oxy-combustion entre un combustible (14) et de l'oxygène pur (1), l'oxygène alimentant la chaudière étant obtenu à partir d'une source d'oxygène liquide (1) présente sur le site, se caractérisant en ce qu’il comporte un échangeur thermique (2), permettant d’ organiser un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide pour permettre la récupération de tout ou partie du CO 2 contenu dans les fumées produites par la chaudière, et l’alimentation à l’aide de ce CO 2 ainsi récupéré de ladite installation. Dispositif selon la revendication 8, se caractérisant en ce que le CO 2 ainsi récupéré est sous sa forme liquide et en ce que le dispositif comporte des moyens de stockage du CO 2 ainsi récupéré sous forme liquide en vue d’une utilisation ultérieure sur le site considéré. Dispositif selon la revendication 8, se caractérisant en ce que le CO 2 ainsi récupéré est sous sa forme gazeuse et en ce que le dispositif comporte des moyens de stockage du CO 2 ainsi récupéré en vue d’une utilisation ultérieure sur le site considéré. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, se caractérisant en ce que ledit échangeur thermique (2) permettant d’organiser un échange thermique entre lesdites fumées et l'oxygène liquide est configuré pour amener les fumées entrant dans l’échangeur dans des conditions de pression et température permettant la liquéfaction du CO 2 présent dans ces fumées, en tirant ainsi profit des frigories de l’oxygène liquide présent sur le site, ceci sans nécessité d’un apport d'énergie électrique qui serait normalement nécessaire à un tel changement d'état. Dispositif selon l’une des revendications 8 à 11, se caractérisant en ce qu’il comporte des moyens (12, 11, 10, 7, …) de traitement des fumées avant leur arrivée dans l’échangeur, moyens de traitement mettant en œuvre des méthodes de séparation physique et/ou chimique et/ou cryogénique, visant à réaliser une ou plusieurs des actions suivantes : chauffer l’oxygène et le gaz combustible, pour améliorer la combustion intervenant dans la chaudière et réduire les rejets d’oxydes d'azote ; condenser la vapeur d’eau des fumées ; supprimer d'éventuelles poussières générées par le foyer de la chaudière .