Brevet FR3148642A1 — publié le 20241115

Titre : Procédé et appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone par condensation partielle et/ou distillation Un appareil de séparation d’un gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure (1,5) comprend un turbocompresseur (C), une turbine (T) attelée au turbocompresseur, une unité de démercurisation (D), un refroidisseur (G), un unité de séparation (CC) opérant à des températures inférieures à 10°C, des moyens pour envoyer le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure (1,5) au turbocompresseur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé (7) dans le turbocompresseur à l’unité de démercurisation pour former un gaz demercurisé, des moyens pour envoyer le gaz démercurisé (9) au refroidisseur et du refroidisseur à l’unité de séparation pour produire au moins un fluide contenant au moins 95 mol% voire au moins 99 mol% de CO2 (13) et un courant sous pression de gaz appauvri en CO2 (15) et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz appauvri en CO2 se détendre dans la turbine attelée au turbocompresseur. Figure unique Procédé et appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone par condensation partielle et/ou distillation La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un gaz contenant du dioxyde de carbone, au moins un gaz de l’air, et du mercure ainsi qu’éventuellement du NO2 par condensation partielle et/ou distillation. Les gaz de l’air comprennent l’azote, l’oxygène ou l’argon. L’invention concerne l’intégration d’un démercuriseur dans une unité de capture de CO2 venant d’un gaz contenant du CO2, pouvant être par exemple des fumées de procédés de combustion. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure contenant les étapes suivantes : Compression du gaz dans un turbocompresseur attelé à une turbine formant un gaz comprimé, Réchauffage, si nécessaire, du gaz comprimé à la sortie du compresseur, et démercurisation du gaz comprimé éventuellement réchauffé dans un ou plusieurs réacteurs non-régénératifs d’adsorption du mercure produisant un gaz demercurisé, Refroidissement du gaz démercurisé, Séparation du gaz refroidi dans une unité opérant à des températures inférieures à 10°C, voire inférieures à -50°C par condensation partielle à une ou plusieurs étapes et /ou par distillation, produisant au moins un fluide contenant au moins 95 mol% voire au moins 99 mol% de CO2 et un courant sous pression de gaz appauvri en CO2 et Au moins une partie du gaz appauvri en CO2 est détendue dans la turbine attelée au turbocompresseur, éventuellement après avoir été réchauffée jusqu’à une température supérieure à 10°C. Selon d’autres objets facultatifs : on refroidit le gaz démercurisé par échange de chaleur indirect avec un fluide frigorigène. le fluide frigorigène, de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé sert ensuite à réchauffer un gaz de régénération d’un sécheur du gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure. un fluide frigorigène ayant servi à refroidir le gaz démercurisé sert ensuite à réchauffer l’au moins une partie du gaz appauvri en CO2 à détendre dans la turbine. le fluide frigorigène, de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé sert à chauffer le gaz comprimé. le fluide frigorigène, de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé, sert pour le chauffage et/ou le refroidissement d’au moins un bâtiment. le fluide frigorigène est de l’eau et ayant servi à refroidir le gaz démercurisé, est chauffé pour générer de la vapeur d’eau. le fluide frigorigène, de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé, sert pour vaporiser un liquide de purge de la séparation opérant à moins de 10°C. le fluide frigorigène, de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé, sert à surchauffer un gaz humide. le fluide frigorigène, de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé, sert à réchauffer un débit destiné à être détendu dans une turbine le gaz appauvri en CO2 est enrichi en l’au moins un gaz de l’air, par exemple en azote et/ou en oxygène et/ou en argon. le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure contient du NO2 et est traité pour retirer le NO2 dans une unité permettant de retirer le NO2 jusqu’à une concentration inférieure à5ppm, voire inférieure à1ppm en NO2 produisant un gaz pauvre en NO2 en amont de la compression dans le turbocompresseur. le traitement pour retirer le NO2 est un procédé de séparation par condensation partielle et/ou distillation. le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure et éventuellement du NO2 est composé de fumées de combustion. le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure et éventuellement du NO2 est composé de fumées de combustion séparées par adsorption pour réduire leur teneur en l’au moins un gaz de l’air. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure comprenant un turbocompresseur, une turbine attelée au turbocompresseur, une unité de démercurisation, un refroidisseur, un unité de séparation par condensation partielle à une ou plusieurs étapes et /ou par distillation opérant à des températures inférieures à 10°C, voire inférieures à -50°C, des moyens pour envoyer le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure au turbocompresseur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé dans le turbocompresseur à l’unité de démercurisation pour former un gaz démercurisé, des moyens pour envoyer le gaz démercurisé au refroidisseur et du refroidisseur à l’unité de séparation pour produire au moins un fluide contenant au moins 95 mol% voire au moins 99 mol% de CO2 et un courant sous pression de gaz appauvri en CO2 et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz appauvri en CO2 se détendre dans la turbine attelée au turbocompresseur. Les fumées de procédés de combustion contiennent de grandes quantités de CO2. La capture du CO2 contenu dans ces fumées est une des voies envisagées pour réduire les effets du changement climatique. Ces fumées contiennent de nombreux polluants, dont du mercure. Le mercure peut s’avérer particulièrement dommageable pour les équipements en aluminium, car il forme avec eux un complexe métallique liquide menant à une destruction progressive. En conséquence, les procédés employant des équipements en aluminium (comme les procédés cryogéniques) retirent le mercure, ou s’orientent vers des équipements plus coûteux en acier inoxydable. Le retrait du mercure est un procédé bien connu, et se fait typiquement par adsorption sur des métaux sulfidés ou du charbon actif sulfidé. Il peut demander du chauffage pour limiter la quantité de NO2 adsorbée (si présent) est donc d’éliminer le risque d’auto inflammation du lit d’adsorbant. Un échangeur de chaleur peut permettre de récupérer une partie de la chaleur du gaz traité et de minimiser les besoins de chauffage. Toutefois, l’usage des adsorbants usuels peut être entravé par la présence d’oxydes d’azotes (NOX), et notamment de NO2. En conséquence, lorsque ces produits de combustion sont présents dans les fumées, ils doivent être retirés avant la démercurisation. Un but de l’invention est de minimiser l’énergie de chauffage demandée pour la démercurisation, tout en récupérant de préférence une partie de cette chaleur pour d’autres usages dans le procédé de capture. L’invention propose un schéma intégré permettant de minimiser le besoin de chaleur et de valoriser la chaleur employée pour d’autres consommateurs du procédé. L’invention se propose de traiter un gaz contenant du CO2, du mercure, de l’azote ou un autre composant de l’air, ainsi qu’éventuellement du NO2. Par exemple, ce gaz pourrait être composé des fumées d’une unité de combustion, ou de fumées pré-concentrées par un premier traitement, comme une unité d’adsorption à modulation de pression (PSA). Ces fumées sont dans un premier temps traitées pour se voir retirer le NO2 si elles en contiennent, jusqu’à typiquement 5ppm voire 1ppm de NO2. Ce traitement peut par exemple être un traitement à basse température tel que la condensation partielle et/ou la distillation (avec séchage éventuel du gaz en amont). Le gaz, débarrassé de son NO2 (si présent), est ensuite comprimé dans un turbocompresseur. Le gaz en sortie de la machine est chaud, et est éventuellement encore plus réchauffé pour atteindre les conditions nécessaires à la démercurisation. Le gaz passe ensuite dans un démercuriseur fonctionnant par adsorption, et le gaz démercurisé est refroidi dans un échangeur contre un fluide frigorigène (par exemple de l’eau). La température de sortie de cette eau est maximisée, et la chaleur qu’elle contient peut-être réutilisée ailleurs dans le procédé (régénération de sécheurs, préchauffe de gaz, chauffage de bâtiments, production de froid, production de vapeur d’eau…). Le gaz comprimé et démercurisé est ensuite traité dans une unité fonctionnant par condensation partielle et/ou distillation, à un ou plusieurs étages. Cette unité produit du CO2, tandis que la fraction incondensable des fumées sortant de l’unité est détendue dans la turbine attelée au compresseur susmentionné. Ces incondensables peuvent éventuellement être surchauffés avant détente, par exemple contre tout ou partie du fluide caloporteur récupérant la chaleur en amont du démercuriseur. Le procédé est caractérisé par le fait que : le NO2 (si présent) est retiré avant la démercurisation le gaz est comprimé avant la démercurisation l’on profite de la chaleur de compression pour minimiser le besoin de chauffage avant démercurisation la chaleur résiduelle est récupérée et réutilisée le compresseur est entraîné par la détente des incondensables de la condensation partielle. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure : représente un procédé selon l’invention de manière schématique. Un gaz 1 contient du CO2, du NO2, au moins un gaz de l’air et du mercure et peut être des fumées d’une combustion. Le gaz 1 est traité dans une unité 3 permettant de retirer le NO2 jusqu’à une concentration inférieure à 5ppm, voire à 1ppm de NO2, produisant un gaz pauvre en NO2 5. L’unité 3 peut est une unité de séparation par condensation partielle et/ou distillation. Le gaz pauvre en NO2 5 est comprimé dans un turbocompresseur C attelé à une turbine T et produit un gaz comprimé 7. Le turbocompresseur C peut ne pas avoir de réfrigérant final ou peut être un, compresseur adiabatique pour maximiser la température du gaz 7. Le gaz comprimé est éventuellement réchauffé dans un réchauffeur R à la sortie du compresseur pour atteindre une température comprise entre 50 et 150°C. Ensuite le gaz 7 est démercurisé dans un ou plusieurs réacteurs d’adsorption du mercure D produisant un gaz démercurisé 9, Le gaz démercurisé 9 est refroidi dans un refroidisseur G à l’aide d’un débit de fluide frigorigène W, par exemple de l’eau. Le gaz refroidi 11 dans le refroidisseur G est séparé dans une unité CC opérant à des températures inférieures à 10°C, voire inférieures à -50°C par condensation partielle à une ou plusieurs étapes et /ou par distillation, produisant au moins un fluide 13 contenant au moins 95 mol% voire au moins 99 mol% de CO2c et un courant sous pression de gaz 15 appauvri en CO2 et enrichi en l’au moins un gaz de l’air. Au moins une partie du gaz 15 appauvri en CO2 est détendue dans la turbine T attelée au turbocompresseur C, éventuellement après avoir été réchauffée dans un réchauffeur H jusqu’à une température supérieure à 10°C. Le gaz détendu 17 est évacué du procédé. Le fluide W ayant servi à refroidir le gaz démercurisé 9 peut servir à réchauffer le gaz 15 dans le réchauffeur H. Ce fluide W peut également servir à réchauffer le gaz 7 dans le réchauffeur R, à réchauffer un gaz de régénération pour un sécheur, par exemple un sécheur de gaz 1 en amont de l’unité 3. Il sera compris que le gaz 1 ne contient pas nécessairement du NO2. Dans ce cas, l’unité 3 n’est pas nécessairement présente. Procédé de séparation d’un gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure contenant les étapes suivantes : Compression du gaz (1,5) dans un turbocompresseur (C) attelé à une turbine (T) formant un gaz comprimé (7), Réchauffage, si nécessaire, du gaz comprimé à la sortie du compresseur, et démercurisation (D) du gaz comprimé éventuellement réchauffé dans un ou plusieurs réacteurs non-régénératifs d’adsorption du mercure produisant un gaz demercurisé (9), Refroidissement (G) du gaz démercurisé, Séparation (CC) du gaz refroidi (11) dans une unité opérant à des températures inférieures à 10°C, voire inférieures à -50°C par condensation partielle à une ou plusieurs étapes et /ou par distillation, produisant au moins un fluide contenant au moins 95 mol% voire au moins 99 mol% de CO2 (13) et un courant sous pression de gaz appauvri en CO2 (15) et Au moins une partie du gaz appauvri en CO2 est détendue dans la turbine attelée au turbocompresseur, éventuellement après avoir été réchauffée (H) jusqu’à une température supérieure à 10°C. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on refroidit le gaz démercurisé (9) par échange de chaleur indirect avec un fluide frigorigène (W). Procédé selon la revendication 2 dans lequel le fluide frigorigène (W), de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé (9) sert ensuite à réchauffer un gaz de régénération d’un sécheur du gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure. Procédé selon la revendication 2 ou une revendication qui en dépend dans lequel un fluide frigorigène (W) ayant servi à refroidir le gaz démercurisé sert ensuite à réchauffer l’au moins une partie (15) du gaz appauvri en CO2 à détendre dans la turbine (T). Procédé selon la revendication 2 ou une revendication qui en dépend dans lequel le fluide frigorigène (W), de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé (9), sert à chauffer le gaz comprimé (7). Procédé selon la revendication 2 ou une revendication qui en dépend dans lequel le fluide frigorigène (W), de préférence de l’eau, ayant servi à refroidir le gaz démercurisé (9), sert pour le chauffage et/ou le refroidissement d’au moins un bâtiment. Procédé selon la revendication 2 ou une revendication qui en dépend dans lequel le fluide frigorigène (W) est de l’eau et ayant servi à refroidir le gaz démercurisé (9), est chauffé pour générer de la vapeur d’eau. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le gaz appauvri en CO2 (15) est enrichi en l’au moins un gaz de l’air, par exemple en azote et/ou en oxygène et/ou en argon. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure (1) contient du NO2 et est traité pour retirer le NO2 dans une unité (3) permettant de retirer le NO2 jusqu’à une concentration inférieure à 5 ppm, voire inférieure à 1 ppm en NO2 produisant un gaz pauvre en NO2 (5) en amont de la compression dans le turbocompresseur. Procédé selon la revendication 9 dans lequel le traitement pour retirer le NO2 est un procédé de séparation par condensation partielle et/ou distillation. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure et éventuellement du NO2 (1) est composé de fumées de combustion. Appareil de séparation d’un gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure (1,5) comprenant un turbocompresseur (C), une turbine (T) attelée au turbocompresseur, une unité de démercurisation (D), un refroidisseur (G), un unité de séparation (CC) par condensation partielle à une ou plusieurs étapes et /ou par distillation opérant à des températures inférieures à 10°C, voire inférieures à -50°C, des moyens pour envoyer le gaz contenant du CO2, au moins un gaz de l’air et du mercure (1,5) au turbocompresseur, des moyens pour envoyer le gaz comprimé (7) dans le turbocompresseur à l’unité de démercurisation pour former un gaz demercurisé, des moyens pour envoyer le gaz démercurisé (9) au refroidisseur et du refroidisseur à l’unité de séparation pour produire au moins un fluide contenant au moins 95 mol% voire au moins 99 mol% de CO2 (13) et un courant sous pression de gaz appauvri en CO2 (15) et des moyens pour envoyer au moins une partie du gaz appauvri en CO2 se détendre dans la turbine attelée au turbocompresseur.