Brevet FR3161576A1 — publié le 20251031

Titre: Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure Dans un procédé de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure, on refroidit le mélange (11) dans un échangeur de chaleur (43) et on le condense partiellement formant un premier fluide diphasique, le premier fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur à une première température entre -25°C et -38°C et est séparé dans un premier séparateur de phases (12) formant un gaz (14) enrichi en l’au moins composant plus léger par rapport au mélange et un bain de liquide enrichi en CO2 et en mercure par rapport au mélange, on soutire un premier liquide (16) au moyen d’une conduite débouchant dans la partie supérieure du bain de liquide et on soutire un débit d’un deuxième liquide (18) correspondant à moins de 1% du liquide généré par la condensation partielle du mélange au plus une fois par an. Fig. 1 Procédé et appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure et éventuellement au moins un NOx. Etat de l’art : Les appareils de séparation de CO2 par condensation partielle et/ou distillation installées sur des fumées provenant d’une source industrielle (cimenterie, chaudière par exemples) permettent l’abattement d’une partie du mercure contenu dans les fumées. Une partie du mercure dit élémentaire est éliminée avec les poussières pendant l'étape de filtration, quasiment 100% du mercure sous forme oxydée est éliminée avec les condensats générés pendant l'étape de compression. Ces derniers sont envoyés à une station de traitement des effluents liquides. Le lecteur peut se référer aux papiers et aux présentations associées : « Measuring Trace Elements during the December 2012 Callide Oxyfuel Trial » de Nelson et al 3rd Oxyfuel Combustion Conference, Ponferrada, 2013 ou « The Air Products-Vattenfall Oxyfuel CO2 Compression and Purification Pilot Plant at Schwarze Pumpe » pour plus d’informations à propos du bilan mercure. La partie résiduelle du mercure élémentaire qui n’est pas arrêtée par l'étape de filtration ni celle de compression peut causer des dommages au procédé en aval et opérant à basse température en particulier aux équipements en aluminium. Dans ce cas, le mercure restant doit être arrêté. La solution classique consiste à utiliser une charge d’adsorbent qui va stocker le mercure sur toute la vie de l'unité. Dans WO 2014009675 A2, une solution permet l’arrêt du mercure dans la partie cryogénique. Dans ce cas, le mercure est stocké dans des séparateurs de phase et doit être purgé périodiquement. Un mélange froid de mercure et de CO2 impur est alors traité du fait de la forte toxicité du mercure. Les purges peuvent être stockées dans des bouteilles pressurisées et ensuite envoyées à une entreprise spécialisée dans le domaine du traitement des flux toxiques. Cette solution pose des problèmes de mise en œuvre (remplissage des bouteilles notamment) et de coût puisque la prestation de l’entreprise extérieure peut s'avérer onéreuse. Dans certains procédés de capture de CO2 à des températures en dessous de 0°C, le gaz en entrée est comprimé, séché, refroidi et séparé par une seule étape de condensation partielle. Dans le cas de gaz contenant des NOx, un lavage du gaz est réalisé en amont de la condensation partielle comme illustré dans WO13/135993 et WO15/148927. Invention : La présente invention permet d'éviter l'envoi des purges de la partie cryogénique vers un traitement extérieur. Ces purges sont de préférence recyclées vers l’unité générant un gaz dont est dérivé le gaz à séparer par le procédé de l’invention. Du fait des températures élevées (jusqu’à 1500°C dans le cas d’une cimenterie) et de la présence d'oxygène, le mercure élémentaire sera oxydé. L’oxyde de mercure sera de préférence renvoyé au procédé de séparation d’un mélange contenant du CO2 selon l’invention dans les fumées et abattu pendant la compression et la génération de condensats. Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure dans lequel on refroidit le mélange dans un échangeur de chaleur et on le condense partiellement formant un premier fluide diphasique, le premier fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur à une première température entre -25°C et -38°C et est séparé dans un premier séparateur de phases formant un gaz enrichi en l’au moins composant plus léger par rapport au mélange et un bain de liquide enrichi en CO2 et en mercure par rapport au mélange, on soutire un premier liquide au moyen d’une conduite débouchant dans la partie supérieure du bain de liquide et éventuellement on envoie le premier liquide à un appareil de séparation par distillation dans une colonne d’épuisement pour s’y séparer formant un liquide enrichi en CO2 en cuve de la colonne, on soutire un débit d’un deuxième liquide correspondant à moins de 1%, voire moins de 0,5%, du liquide généré par la condensation partielle du mélange au plus une fois par an, le deuxième liquide étant plus riche en mercure que le premier liquide et on l’envoie en amont de l’échangeur de chaleur. Selon d’autres caractéristiques facultatives : on soutire le débit du deuxième liquide au plus une fois tous les deux ans. le gaz du premier séparateur de phases est refroidi dans l’échangeur de chaleur formant un deuxième fluide diphasique, le deuxième fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur à une température inférieure à la première température et est séparé dans un deuxième séparateur de phases, formant un gaz enrichi en l’au moins composant plus léger par rapport au deuxième fluide diphasique et liquide enrichi en CO2 par rapport au deuxième fluide diphasique qui est éventuellement envoyé à la colonne d’épuisement pour s’y séparer. le débit de deuxième liquide est soutiré du premier séparateur de phases à une pression entre 15 et 45 abs. on soutire le débit du premier liquide du premier séparateur de phase plus souvent qu’une fois par an le débit du deuxième liquide est le seul liquide soutiré en cuve du premier séparateur de phases le débit du deuxième liquide constitue un liquide de purge Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un procédé de combustion dans lequel un carburant est brûlé en présence d’oxygène dans une unité de combustion générant de la chaleur et des fumées, les fumées étant traitées pour constituer le mélange séparé par un procédé tel que décrit ci-dessus et le débit du deuxième liquide est envoyé à l’unité de combustion pour participer à la combustion au plus une fois par an. Selon un autre aspect de l’invention, il est prévu un procédé de production d’un gaz de synthèse dans lequel un gaz de synthèse contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène est produit par un reformeur, une unité de combustion génère de la chaleur pour le reformeur et des fumées, l’unité de combustion opérant selon le procédé tel que décrit ci-dessus. Optionnellement le débit du deuxième liquide est mélangé avec de l’air ou l’oxygène envoyé à l’unité de combustion et/ou des fumées recyclées à l’unité de combustion. Optionnellement le débit du deuxième liquide est envoyé à l’unité de combustion, sans avoir été mélangé avec un autre gaz. Le mercure présent dans le deuxième liquide peut être transformé en oxyde de mercure dans l’unité de combustion, les fumées qui sont humides sont traitées par compression et/ou lavage par de l’eau ou un liquide alcalin et l’oxyde de mercure est éliminée dans un liquide produit par la compression et/ou par le lavage. Selon un autre objet de l’invention, il est prévu un appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure comprenant un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le mélange se refroidir dans l’échangeur de chaleur formant un premier fluide diphasique, des moyens pour extraire le premier fluide diphasique de l’échangeur de chaleur à une première température entre -35°C et -37°C qui est une température intermédiaire de l’échangeur de chaleur, un premier séparateur de phases conçu pour contenir un bain de liquide, une première conduite débouchant à un premier niveau dans une partie supérieure du bain de liquide du premier séparateur de phases pour soutirer un premier liquide, une deuxième conduite débouchant à un niveau inférieur au premier niveau, par exemple en cuve, du premier séparateur de phases pour soutirer un deuxième liquide enrichi en mercure, éventuellement une colonne d’épuisement, des moyens pour soutirer le premier liquide au moyen de la première conduite et éventuellement pour envoyer le premier liquide à la colonne d’épuisement formant un liquide enrichi en CO2 en cuve de la colonne. Description de l’invention : La purge de la partie cryogénique étant disponibles sous pression (environ entre 15 et 45 bara), aucun élément de compression n’est nécessaire puisque la chaudière ou la cimenterie est opérée à des pressions proches de la pression atmosphérique. La purge étant froide (température d’environ -25°C), on choisira un matériau compatible pour la tuyauterie. Si la température s'avère trop basse, on choisira préférentiellement l’acier inoxydable. La tuyauterie pourra potentiellement être flexible du fait de son faible diamètre (lié à son faible débit). II ne sera pas nécessaire de calorifuger la ligne puisque la conservation du froid n’est pas nécessaire, le fluide étant destiné à être réchauffé dans la chaudière ou la cimenterie. Ainsi la purge des séparateurs de phase va être directement connectée à une vanne qui sera connectée à la chaudière ou cimenterie. Selon l’invention, il est préconisé d’attendre une accumulation du mercure dans un séparateur de phases et de purger de manière plus conséquente mais temporaire. Si le séparateur est purgé en continu, il y a un risque d'entraîner du CO2. On préfère donc cette purge temporaire qui pourrait être déclenchée par un opérateur par l’ouverture manuelle de la vanne. En ce qui concerne l’injection dans la chaudière ou la cimenterie en elle-même, on pourra mélanger la purge à différents endroits : Avec les fumées recyclées (primaires ou secondaires) le cas échéant Avec les veines d’air ou d'oxygène (dans le cas d’une oxycombustion) injecté pour la combustion Avec le gaz combustible comme du gaz naturel le cas échéant Directement dans la chambre de combustion. Dans le cas d’une oxycombustion, on préférera la première option pour sa simplicité d'exécution. En dehors de l’oxycombustion, on préféra l’injection dans la veine d’air. L’invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant aux figures : FIG. 1 montre un procédé selon l’invention. FIG. 2 montre une partie de la FIG. 1 de manière plus détaillée modifiée. La FIG. 1 montre un procédé conforme à l’invention, permettant d’éliminer du mercure dans un gaz 11 contenant du dioxyde de carbone, du mercure et un composant plus léger que le dioxyde de carbone tel que de l’oxygène ou du monoxyde de carbone. On refroidit le mélange comprimé 11 dans un échangeur de chaleur 43 pour le condenser partiellement formant un premier fluide diphasique, le premier fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur 43 à une température entre -35°C et -37°C, c’est-à-dire une température intermédiaire de l’échangeur, et est séparé dans un premier séparateur de phases 12, opérant à une température opère proche de mais plus chaude que le point triple du mercure. Le gaz 14 du premier séparateur de phases 12 est refroidi dans l’échangeur de chaleur 43 formant un deuxième fluide diphasique, le deuxième fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur à une température inférieure à -38,8°C, entre -45°C et -54°C par exemple. Le deuxième fluide diphasique 14 est séparé dans un deuxième séparateur de phases 13, formant un gaz 15 enrichi en l’au moins composant plus léger par rapport au deuxième fluide diphasique et un bain de liquide enrichi en CO2 et en mercure par rapport au deuxième fluide diphasique. La température dans le séparateur 13, si présent, peut être inférieure au triple point de mercure, puisque le mercure a été éliminé dans le séparateur 12. Le gaz 15 du séparateur de phases 13 se réchauffe dans le premier échangeur 43. On sort un liquide 20 du séparateur de phases 13 qui est mélangé avec un premier liquide 16 provenant du séparateur 12 pour former un liquide 23. La présence du séparateur 13 n’est pas essentielle et la colonne 25 peut être alimentée uniquement par le liquide 16,19. On soutire en continu, en fonctionnement normal, un premier liquide 16 au moyen d’une conduite débouchant dans la partie supérieure du bain de liquide et on envoie le liquide 23, formé en mélangeant les liquides 16, 20 à un appareil de séparation par distillation dans une colonne d’épuisement 25 formant un liquide enrichi en CO2 29 en cuve de la colonne. Une vanne 21 détend le liquide 23 en amont de la colonne 25. Un gaz enrichi en oxygène et/ou monoxyde de carbone et appauvri en CO2 sort en tête de la colonne 25 et un liquide 29 enrichi en CO2 et appauvri en oxygène et/ou monoxyde de carbone sort de la cuve de la colonne 25 pour former un produit. On soutire en plus du liquide 16 un débit d’un deuxième liquide 18, à une pression entre 15 et 45 bars abs, correspondant à moins de 1% du liquide généré par la condensation partielle du gaz 14 du premier séparateur de phases, le soutirage ayant lieu au plus une fois par an, en ouvrant la vanne 22, le deuxième liquide 18 étant plus riche en mercure que le premier liquide 16 et éventuellement plus riche en CO2 que le premier liquide 16 puisque le mercure s’accumule au fond de la cuve, aucun liquide étant soutiré de la cuve du séparateur 12 autre que le liquide 18. De préférence, on soutire le débit du deuxième liquide 18 au plus une fois tous les deux ans. Le gaz 1 peut être constitué par des fumées. Par exemple, dans un procédé de production d’un gaz de synthèse dans lequel un gaz de synthèse contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène est produit par un reformeur alimenté par exemple par du gaz naturel contenant du mercure, une unité de combustion génère de la chaleur pour le reformeur et des fumées. Les fumées sont traitées pour former le gaz 1 puis sont séparées par un procédé. Le débit du deuxième liquide 18 peut être soutiré envoyé à l’unité de combustion pour participer à la combustion au plus une fois par an. Par exemple, dans un procédé de combustion dans lequel un carburant est brûlé en présence d’oxygène dans une unité de combustion générant de la chaleur et des fumées, les fumées étant traitées pour constituer le mélange 1 séparé par et le débit du deuxième liquide 18 est envoyé à l’unité de combustion pour participer à la combustion au plus une fois par an. Sinon le gaz 11 peut provenir d’une cimenterie où l’on brûle du gaz naturel et/ou des huiles. Cette cimenterie comprend donc une unité de combustion. Le débit du deuxième liquide peut être mélangé avec de l’oxygène ou de l’air envoyé à l’unité de combustion et/ou des fumées recyclées à l’unité de combustion. Sinon le débit du deuxième liquide peut être envoyé à l’unité de combustion, sans avoir été mélangé avec un autre gaz. Dans l’unité de combustion, le mercure présent dans le deuxième liquide 18 est transformé en oxyde de mercure grâce aux température élevées de l’unité. Les fumées qui sont humides sont traitées par compression et/ou lavage par de l’eau ou un liquide alcalin avant de former le mélange à traiter par le procédé selon la FIG. 1 . L’oxyde de mercure est éliminée dans un liquide appelé condensat produit par la compression et/ou par le lavage et envoyé à une station de traitement d’effluents liquides. La FIG. 2 montre le séparateur de phases 12 de la FIG. 1 . Le séparateur 12 comprend une conduite d’entrée de fluide diphasique 11, une sortie du gaz 14 et deux sorties de liquides 16, 18 débouchant à des hauteurs différentes en dessous du niveau de liquide dans le séparateur, la conduite pour un liquide 16 débouchant dans une partie supérieure de la zone de liquide et comprenant une vanne de détente 19 et une sortie vers la colonne 25. La conduite de liquide 18 débouche à un niveau du séparateur inférieur à celui où débouche la conduite de liquide 16, de préférence dans la cuve du séparateur, la conduite étant ouverte ou fermée par une vanne 22. La présence de la colonne 25 et le deuxième séparateur de phases n’est pas essentielle. Par exemple le liquide 16, 19 peut constituer le seul produit du procédé si la colonne 25 et le séparateur 13 sont absents. Sinon le liquide 23 peut constituer le seul produit du procédé si la colonne 25 est absente. Procédé de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure dans lequel on refroidit le mélange (11) dans un échangeur de chaleur (43) et on le condense partiellement formant un premier fluide diphasique, le premier fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur à une première température entre -25°C et -38°C et est séparé dans un premier séparateur de phases (12) formant un gaz (14) enrichi en l’au moins composant plus léger par rapport au mélange et un bain de liquide enrichi en CO2 et en mercure par rapport au mélange, on soutire un premier liquide (16) au moyen d’une conduite débouchant dans la partie supérieure du bain de liquide et éventuellement on envoie le premier liquide à un appareil de séparation par distillation dans une colonne d’épuisement (25) pour s’y séparer formant un liquide enrichi en CO2 en cuve de la colonne, on soutire un débit d’un deuxième liquide (18) correspondant à moins de 1%, voire moins de 0,5%, du liquide généré par la condensation partielle du mélange au plus une fois par an, le deuxième liquide étant plus riche en mercure que le premier liquide que le premier liquide et on l’envoie en amont de l’échangeur de chaleur. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on soutire le débit du deuxième liquide (18) au plus une fois tous les deux ans. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le gaz (14) du premier séparateur de phases (12) étant refroidi dans l’échangeur de chaleur (43) formant un deuxième fluide diphasique, le deuxième fluide diphasique sort de l’échangeur de chaleur à une température inférieure à la première température et est séparé dans un deuxième séparateur de phases (13), formant un gaz (15) enrichi en l’au moins composant plus léger par rapport au deuxième fluide diphasique et liquide (20) enrichi en CO2 par rapport au deuxième fluide diphasique qui est éventuellement envoyé à la colonne d’épuisement (25) pour s’y séparer. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel dans le débit de deuxième liquide (18) est soutiré du premier séparateur de phases (12) à une pression entre 15 et 45 abs. Procédé de combustion dans lequel un carburant est brûlé en présence d’oxygène dans une unité de combustion générant de la chaleur et des fumées, les fumées sont traitées pour constituer le mélange à séparer par un procédé selon l’une des revendications 1 à 4 et le débit du deuxième liquide (18) est envoyé à l’unité de combustion pour participer à la combustion au plus une fois par an. Procédé de production d’un gaz de synthèse dans lequel un gaz de synthèse contenant du dioxyde de carbone et de l’hydrogène est produit par un reformeur, une unité de combustion génère de la chaleur pour le reformeur et des fumées, les fumées sont traitées, l’unité de combustion et le traitement des fumées opérant selon le procédé de la revendication 5. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le débit du deuxième liquide (18) est mélangé avec de l’air ou l’oxygène envoyé à l’unité de combustion et/ou des fumées recyclées à l’unité de combustion. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le débit du deuxième liquide (18) est envoyé à l’unité de combustion, sans avoir été mélangé avec un autre gaz. Procédé selon la revendications 5 dans lequel le mercure présent dans le deuxième liquide (18) est transformé en oxyde de mercure dans l’unité de combustion, les fumées qui sont humides sont traitées par compression et/ou lavage par de l’eau ou un liquide alcalin et l’oxyde de mercure est éliminée dans un liquide produit par la compression et/ou par le lavage. Appareil de séparation d’un mélange contenant du CO2, au moins un composant plus léger que le CO2 et du mercure comprenant un échangeur de chaleur (43), des moyens pour envoyer le mélange (11) se refroidir dans l’échangeur de chaleur formant un premier fluide diphasique, des moyens pour extraire le premier fluide diphasique de l’échangeur de chaleur à une première température entre -35°C et -37°C qui est une température intermédiaire de l’échangeur de chaleur, un premier séparateur de phases (12) conçu pour contenir un bain de liquide, une première conduite débouchant à un premier niveau dans une partie supérieure du bain de liquide du premier séparateur de phases pour soutirer un premier liquide (16), une deuxième conduite débouchant à un niveau inférieur au premier niveau, par exemple en cuve, du premier séparateur de phases pour soutirer un deuxième liquide (18) enrichi en mercure, éventuellement une colonne d’épuisement (25), des moyens pour soutirer le premier liquide au moyen de la première conduite et éventuellement pour envoyer le premier liquide à la colonne d’épuisement formant un liquide enrichi en CO2 en cuve de la colonne.