EP1601443A2 - Method of extracting carbon dioxide and sulphur dioxide by means of anti-sublimation for the storage thereof - Google Patents

Method of extracting carbon dioxide and sulphur dioxide by means of anti-sublimation for the storage thereof

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Publication number
EP1601443A2
EP1601443A2 EP04717136A EP04717136A EP1601443A2 EP 1601443 A2 EP1601443 A2 EP 1601443A2 EP 04717136 A EP04717136 A EP 04717136A EP 04717136 A EP04717136 A EP 04717136A EP 1601443 A2 EP1601443 A2 EP 1601443A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sulfur dioxide
carbon dioxide
methane
cooling
dioxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04717136A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Denis Clodic
Mourad Younes
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Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Original Assignee
Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels filed Critical Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Publication of EP1601443A2 publication Critical patent/EP1601443A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/002Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by condensation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/20Capture or disposal of greenhouse gases of methane

Definitions

  • the present invention relates to a method and system for the extraction, or capture, of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, by anti-sublimation at atmospheric pressure.
  • sulfur dioxide denotes sulfur dioxide (S0 2 ) proper but also chemical species of the SO x type where x can in particular take the value 3. It relates more particularly to a process and a system allowing the capture of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, present in the fumes circulating in the chimneys of installations for the production of electricity or heat or in the exhaust pipes of propulsion engines. This capture of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, is carried out for storage.
  • the present invention relates to a method for capturing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, applicable to any combustion system.
  • the method according to the invention has the characteristic of not modifying the energy efficiency of propulsion engines or propulsion or electricity production turbines implementing such combustion systems. Capture of C0 2 (Resp. S0 2 ) using the anti-sublimation pressure process atmospheric or near, is done with zero or extremely low increase in energy consumption.
  • the system design for an automotive heat engine will be described by way of example. Process
  • the invention relates to a method for extracting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, from fumes from the combustion of hydrocarbons in the presence of oxygen and nitrogen from the air in an apparatus intended in particular for the production of mechanical energy.
  • the method according to the invention comprises the step of cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the state solid state vapor, via an anti-sublimation process
  • the method according to the invention is such that the step of cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process, further comprises the step of extracting said water from said fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
  • an air or water exchanger is used to extract all or part of said water from said fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
  • the method according to the invention further comprises the step of extracting all the quantities of residual water in said flue gases by using a refrigeration exchanger and / or a dehydrator.
  • the step consisting in cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process further comprises the step of cooling the mixture of nitrogen, sulfur, or carbon dioxide and sulfur dioxide, by supplying frigories by means of fractional distillation of a mixture of refrigerants.
  • This fractional distillation is carried out at decreasing, staged temperatures, of the mixture of refrigerants in a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation.
  • the step consisting in cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the 'solid state, via an anti-sublimation process, is followed by a step of melting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in a closed enclosure.
  • the pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, as the mixture of refrigerants, while sub-cooling, provides calories in said closed enclosure.
  • the mixture of refrigerants successively ensures:
  • the method according to the invention further comprises the step of storing the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, in liquid form in a tank, in particular removable.
  • the step of storing the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, in liquid form in a tank, in particular removable comprises the following steps:
  • the step of sucking up the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, liquid contained in said closed enclosure the step of reducing the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, the step of transferring the sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid in said tank.
  • the method according to the invention further comprises the step of rejecting nitrogen into the outside air after successive extractions of water vapors, carbon dioxide, SO 2 , minor species such as hydrocarbons unburnt contained in said fumes.
  • the method according to the invention further comprises the step of: transferring the frigories contained in the nitrogen discharged into the air outside the flue gases, and
  • the method according to the invention further comprises the step of cooling said fumes to the anti-sublimation temperature of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, at a substantially equal pressure. at atmospheric pressure using the heat energy available in said fumes, at least in part without additional supply of energy.
  • the method according to the invention further comprises the following steps: the step of heating and then vaporizing water by means of said fumes, to produce steam d pressurized water, the step of relaxing said pressurized water vapor in a turbine producing mechanical or electrical energy.
  • the invention also relates to a system for extracting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, from the fumes from the combustion of hydrocarbons in the presence of oxygen and nitrogen from the air. in an apparatus intended in particular for the production of mechanical energy.
  • the system according to the invention comprises cooling means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the solid state vapor, via an anti-sublimation process.
  • the means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the state solid, via an anti-sublimation process further include extraction means, in particular exchangers, for extracting said water fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
  • the extraction means for extracting from said smoke all or part of the water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure comprise an air or water exchanger.
  • the extraction means comprise a refrigerant exchanger and / or a dehydrator.
  • the cooling means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state (as well as minor species) via an anti-sublimation process further includes an integrated cascade refrigeration unit for cooling the mixture of nitrogen, sulfur dioxide, or carbon dioxide and carbon dioxide sulfur, by supplying frigories by means of fractional distillation, of a mixture of refrigerants.
  • the fractional distillation of the mixture of refrigerants is carried out at decreasing temperatures, stepped, according to a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation.
  • the refrigerating apparatus includes: a compressor, a partial condenser, a separator tank, evaporative condensers, evaporators for cooling smoke, liquid-vapor exchangers, anti-sublimation evaporators, pressure reducers.
  • the system according to the invention further comprises a closed enclosure traversed by a circuit in which a mixture of refrigerants circulates.
  • the pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of carbon dioxide, or sulfur dioxide and sulfur dioxide, as: • the mixture of refrigerants, by sub-cooling , brings calories into said closed enclosure, the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, pass from the solid state to the liquid state.
  • the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of the sulfur dioxide, or of the carbon dioxide and sulfur dioxide, in said closed enclosure and the anti-sublimation of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, circulating in an open circuit in a symmetrical enclosure of the previous one.
  • the fusion and the anti-sublimation of sulfur dioxide, or of carbon dioxide and sulfur dioxide are alternately carried out in one and the other of said enclosures: one being closed, the other being open.
  • the system according to the invention further comprises storage means, in particular a fixed and / or removable reservoir for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form.
  • storage means in particular a fixed and / or removable reservoir for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form.
  • the means for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form in a fixed and / or removable tank also comprise suction means, in particular a pneumatic pump.
  • the suction means suck the sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid contained in said closed enclosure, reduce the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, transfer the dioxide of sulfur, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid in said tank.
  • the system according to the invention further comprises compression and / or suction means for discharging the nitrogen to the outside air after successive extractions of the water vapors, sulfur dioxide, or carbon dioxide. carbon and sulfur dioxide, contained in said fumes.
  • the system according to the invention further comprises transfer means for transferring the frigories contained in the nitrogen discharged to the air outside the flue gases and thus contributing to the cooling of said flue gases.
  • the system according to the invention further comprises means for recovering heat energy available in said fumes to cool, at least in part without additional supply of energy, said fumes to the anti-sublimation temperature of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, to a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
  • the means for recovering the heat energy available in said fumes comprise:
  • Heating means in particular an exchanger, for heating and vaporizing water by means of said fumes and for producing pressurized steam
  • expansion means in particular a turbine, for relaxing said pressurized water vapor and producing mechanical or electrical energy.
  • Table 1 presents the molar and mass compositions typical of the fumes from the exhaust of a combustion engine.
  • Table 2 presents typical molar compositions of fumes from coal boilers.
  • these fumes are cooled both to recover mechanical energy and to lower their temperatures a little above ambient temperature. They are then cooled by a refrigerating cycle at a gradually low temperature to allow the anti-sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) at a temperature which is around - 80 ° C and at a pressure which is of the order of atmospheric pressure.
  • anti-sublimation here designates a direct gas / solid phase change which occurs when the temperature of the gas concerned is below that of the triple point.
  • Figure 1 recalls the coexistence diagram of the solid, liquid and vapor phases in the pressure temperature diagram. This diagram applies to any pure body. Below the triple point, the changes take place directly between the solid phase and the vapor phase. The transition from solid to vapor is called sublimation. There is no commonly used term for the reverse passage.
  • anti-sublimation has been used, in the present description, to designate the direct passage from the vapor phase to the solid phase.
  • the thermodynamic data on the fumes show that the energy available from 900 ° C to 50 ° C is a little more than 1000 kJ / kg. The example described shows that it is possible to convert 34 to 36% of this thermal energy into mechanical energy by a simple steam turbine cycle which, by taking an alternator efficiency of 0.9, makes it possible to recover from 30.5 to 32.5% of electrical energy.
  • the system according to the invention consists on the one hand of an energy producing device allowing the transformation of thermal energy into mechanical and / or electrical energy and of an energy consuming device constituted by a refrigerating appliance designed in integrated waterfall.
  • the exhaust gases change thermally from around + 900 ° C to -
  • the gases produce energy from 900 ° C to about 50 ° C, then consume energy from room temperature (for example 40 ° C) to - 90 ° C.
  • room temperature for example 40 ° C
  • the example described shows that the available energy is significantly higher than the energy consumed and thus makes it possible, successively, to extract fumes from the water vapor, then the C0 2 (Resp. S0 2 ), by rejecting at l simply nitrogen and trace gases with dew temperatures below -90 ° C.
  • the size of the steam turbine depends on the flow of smoke to be treated. For an automobile heat engine, it is a small turbine producing electrical energy of the order of 3 to 30 kW, depending on the power and the operating speed of the heat engine itself.
  • the vaporization of the water from the mechanical energy producing circuit is carried out by exchange between a closed water circuit under pressure and the exhaust piping. Indeed, the extraction of thermal energy from the exhaust gases by a water circuit makes it possible to limit the mechanical disturbance on the exhaust gases that would cause, for example, a gas turbine operating directly on the flue gases. It is known that the operating parameters of diesel or petrol engines are strongly disturbed by changes in exhaust pressure. If these changes in the exhaust pressure are changed significantly, they have the effect of reducing the fuel efficiency of the engines.
  • the condensation temperature is equal to 40 ° C. This temperature of 40 ° C corresponds to the typical summer conditions of an air condenser.
  • This water is reheated to a saturation temperature varying between 310 and 340 ° C, at these temperatures corresponds a saturation pressure in the boiler varying between 99 bar and 145 bar approximately.
  • the pressure level is adjusted according to the operating conditions of the engine. To best adjust the pressure level, the water flow is modified from the measurement of the temperature of the exhaust gases at the inlet and / or outlet of the exchanger. The smoke flow is very variable but is known by the knowledge of the engine speed and the fuel flow. This data is available both from the engine tachometer and the fuel injection control electronics. These data make it possible to predict the range of water flow to be circulated in the energy recovery circuit, the pressure in the water circuit being adjusted as a function of the temperature of the exhaust gases at the inlet and / or at the exit of the exchanger.
  • the liquid is therefore transformed into vapor.
  • the vapor is then itself superheated to typical temperatures of 400 ° C to 550 ° C depending on the available temperature level of the exhaust gases.
  • the steam is expanded in the body of the turbine. It is thus possible to extract mechanical energy from the fumes.
  • the turbine can drive an electric alternator, a flywheel or even directly the compressor of the refrigeration system.
  • the drive version of an electric alternator gives more flexibility according to the different mission profiles of a vehicle thermal engine. The data below assess the quantities of mechanical energy available in the case of two cycle operations.
  • the condensation temperature is equal to 40 ° C and the boiling temperature is equal to 310 ° C.
  • the condensation temperature is always 40 ° C, but the boiling temperature is 340 ° C.
  • the steam is superheated in the first case to 400 ° C, in the second case to 500 ° C.
  • the examples described are chosen to illustrate different operating conditions of the exhaust gas temperatures and to provide typical figures of available powers, expressed as a function of the flow rate M of smoke, itself expressed in kg / s. They make it possible to generalize the process according to the invention to any high temperature smoke rejection pipe containing C0 2 (Resp. S0 2 ). Energy recovery from the fumes therefore brought them from typical temperatures varying between 750 ° C and 900 ° C up to temperatures of the order of 50 ° C to 80 ° C.
  • the data below set the orders of magnitude of the quantities of mechanical energy necessary to cool the fumes, through a refrigeration cycle, up to the anti-sublimation temperature of C0 2 (Resp. S0 2 ).
  • the flue gases are cooled from 50 ° C to room temperature.
  • the heat exchange to cool the flue gases from 50 ° C to room temperature takes place in an air or water exchanger.
  • the water contained in the smoke flow is partially condensed in this exchanger since the dew temperature for concentrations of the order of 86 grams of water per kg of dry smoke is around 50 ° C.
  • the water can be acidic and have specific dew points, higher than those of pure water.
  • the dew points are in this case typically between 50 ° C and 100 ° C.
  • Condensed water can, according to these characteristics, be either directly discharged, or stored in order to be treated beforehand before discharge.
  • the flue gases are cooled in a circuit comprising several exchange segments. They are thus brought to a temperature lower than the anti-sublimation temperature of C0 2 (Resp. S0 2 ) at atmospheric pressure or close to atmospheric pressure.
  • the smoke flow M is modified since the water vapor contained therein is condensed.
  • the two anti-sublimation evaporators operate alternately.
  • the fumes and the refrigerant pass alternately on one or the other of the two evaporators.
  • the CO 2 frost is fixed on the external walls of the exchanger circuit located in the anti-sublimation evaporator.
  • S0 2 also passes directly from the gaseous phase to the solid phase taking into account its partial pressure. This deposit gradually creates an obstacle to the circulation of cold smoke.
  • the smoke flow rates on the external part of the exchanger and the refrigerant flow rates inside the exchanger are respectively switched to the symmetrical evaporator.
  • the refrigerant evaporates inside the exchanger and the C0 2 , respectively S0 2 , is deposited on the external surface of the latter.
  • This temperature rise is accelerated by circulating the liquid refrigerant before expansion, in the exchanger of the first evaporator.
  • the solid C0 2 heats up from - 78.5 ° C, which is the equilibrium temperature of the solid and gaseous phase at atmospheric pressure, to - 56.5 ° C and 5.2 bar which are the pressure / temperature of the triple point where the three solid, liquid and gaseous phases therefore coexist.
  • the solid CO 2 melts, that is to say passes from the solid phase to the liquid phase.
  • the S0 2 melts before therefore the C0 2 and can be, if necessary, recovered in a privileged manner in the first moments of defrosting, by extraction ad hoc by partial vacuum.
  • the pressure in this exchanger continues to rise with the rise in temperature.
  • the C0 2 (Resp. S0 2 ) is fully in the liquid phase, it is transferred by pump to a thermally insulated tank.
  • the pump is also capable of sucking up residual gas, in particular C0 2 (Resp. S0 2 ). It is thus possible to reduce the pressure inside the anti-sublimation evaporator of 5.2 bar to a pressure close to atmospheric pressure, so that the fumes can again penetrate there.
  • the process according to the invention which uses anti-sublimation, is advantageous compared to the process which consists in passing from the gas phase to the liquid C0 2 phase (Resp. S0 2 liquid).
  • the process which consists in passing from the gas phase to the liquid C0 2 phase (Resp. S0 2 liquid).
  • this process involves lowering the temperature of the fumes to 0 ° C to remove the water and then compressing the mixture of nitrogen and C0 2 to at least 6 bar. During this compression, the mixture of nitrogen and C0 2 will heat up to 120 "C. It will have to be cooled again from 120 ° C to - 56.5 ° C.
  • the refrigeration device implements a cooling principle, known per se, known as integrated cascade.
  • the refrigeration device according to the invention however has specific technical features which will be described below. Indeed to cool the flue gases, over a significant temperature difference ranging from ambient temperature to ⁇ 90 ° C., by means of of a refrigeration device which is simple to produce, comprising only one compressor, the method according to the invention uses a mixture of refrigerants.
  • the refrigeration apparatus according to the invention comprises a single compressor, two intermediate evapo-condensers and the two low temperature anti-sublimation evaporators in parallel previously described. Intermediate evapo-condensers allow both the distillation of the refrigerant mixture and the gradual cooling of the smoke flow.
  • the residual water vapor contained in the flue gases is condensed either totally or partially in one air or water cooling exchanger described above. If this is not the case, the water is condensed in a complementary manner in the first heat exchanger of the refrigeration unit where the temperature is slightly higher at 0 ° C and where the residence time is sufficient to permit this condensation.
  • the refrigerant mixtures used to carry out a cycle can be ternary, quaternary or five-component mixtures.
  • the mixtures described integrate the constraints of the Montreal Protocol which prohibits the production and, ultimately, the use of refrigerant gases containing chlorine. This implies that no CFC (Chloro-fluorocarbon), nor H-CFC (Hydro-Chloro-Fluoro-carbide) is retained in the usable components, although several of these fluids are functionally quite interesting to be used as working fluids in an integrated cascade.
  • the Kyoto Protocol also imposes constraints on gases with high Global Warming Potential (GWP). Even if they are not prohibited at present, preferably, according to the invention, fluids are used whose GWP is as low as possible.
  • the mixtures which can be used in the integrated cascade according to the invention, for capture C0 2 (Resp. S0 2 ) in the flue gases, are indicated below.
  • the ternary mixtures can be mixtures of Methane / C0 2 / R-152a, or, by adopting the standardized nomenclature
  • the quaternary mixtures can be mixtures: of R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, or of R-50 / R-170 / R-744 / R-600, or of R -50 / R-170 / R-744 / R-600a.
  • the R-50 can also be replaced by the R-14 but its GWP is very high (6500 kg C0 2 equivalent).
  • Mixtures with 5 components can be made by choosing 5 of these components from the list of the following 8 fluids: R-740, R-50, R-14, R-170, R-744, R-600, R-600a, R-152a in adequate proportions with gradually staged critical temperatures, these critical temperatures being presented in Table 2.
  • the two intermediate evapo-condensers and the anti-sublimation evaporators make up the three temperature stages of the integrated cascade. These three stages all operate at the same pressure since they are all connected to the compressor suction, but the average temperatures in these three stages are typically of the order of - 5 ° C, - 30 ° C and - 90 ° C since there is a temperature difference between the flow of refrigerants circulating in the other piping of each of the exchangers.
  • the flow rates of the refrigerant mixture in the three "stages" of the integrated cascade depend on the proportion of the components in the refrigerant mixtures. There is therefore a link between composition and temperature levels of the waterfall.
  • the data below relates to a refrigeration appliance with integrated cascade using a mixture of five-component refrigerants with the following mass composition: • R-50 1%
  • the proportion between flammable and non-flammable components is such that the mixture is a non-flammable safety mixture.
  • the critical temperature of this mixture is 74.2 ° C and its critical pressure 50 bar.
  • the proportions of the components with the highest critical temperature are predominant in the mixture because their evaporation in the two intermediate stages makes it possible to distill the components at low critical temperature.
  • the components at low critical temperature can then evaporate at low temperature in the anti-sublimation evaporator which is a double evaporator, operating alternately on one or the other of its parallel pipes.
  • the exchangers in the cascade are counter-current exchangers. They allow the use of very large temperature differences between inputs and outputs.
  • the anhydrous smoke flow rate, MN 2 + CO2 + SO 2 after passing over the anti-sublimation evaporator is reduced to the nitrogen flow rate, N2 , which represents 0.719 of the initial flow rate M.
  • This nitrogen flow rate whose temperature is at - 90 "C, circulates against the current of the smoke tube to participate in the cooling of the anhydrous smoke flow M N2 + co 2+ so2 / then of the total smoke flow M.
  • the participation of the nitrogen flow leaving the anti-sublimation evaporator on cooling the fumes occurs until the temperature of nitrogen has returned to ambient temperature.
  • the pressure of the nitrogen flow M N2 is equal to 73% of the initial pressure of the flow M, taking into account the successive captures of the water vapor and the vapors of C0 2 (Resp. S0 2 ).
  • the overpressure necessary for circulation is achieved for example by an air compressor whose flow injected into a venturi allows extraction of the nitrogen flow.
  • Another design consists in compressing the total flow rate at the outlet of the air cooling exchanger in order to allow a slight overpressure with respect to atmospheric pressure all along the smoke circulation circuit and until it is vented. .
  • FIG. 3 represents a schematic view of an alternative embodiment of a system for capturing carbon dioxide by antisublimation.
  • the numerical values indicated correspond to carbon dioxide, they are transposable by the engineer of the trade in the case of sulfur dioxide, or in the case of sulfur dioxide and carbon dioxide. Whenever it is necessary to carry out such a transposition, the entry (Resp. S0 2 ) has been inserted.
  • FIG. 3 The numerical references are those of FIG. 3.
  • the table below specifies the reference system used. It explains the meaning of identical technical terms bearing different reference numbers.
  • the smoke flow M is the sum of four flows:
  • M m H20 + m ⁇ 2 + m N2 + m tr aces
  • m H2 o denotes the flow of water vapor
  • ⁇ ttco2 denotes the flow of carbon dioxide
  • m N2 denotes the flow of nitrogen
  • m t races means the flow of trace gases including S0 2 or unburnt hydrocarbons.
  • the fumes come out of the heat engine 1 (of the internal combustion engine) through the pipe 2 (outlet pipe of the heat engine). Their temperature is 900 ° C.
  • the mass compositions of the fumes at the outlet of the heat engine 1 are respectively equal to: • C0 2 : 19.5%,
  • trace gases such as S0 2 have been neglected given their negligible impact from an energy point of view.
  • the energy Q eCh given off by the fumes in the exchanger 6 is approximately equal to 1000 kJ / kg.
  • the temperature of the fumes at the outlet of the exchanger 6 is 50 ° C.
  • the thermal energy given off by the fumes in the exchanger 6 is transformed in a manner known per se into mechanical energy, then into electrical energy.
  • the fumes yield their energy to the water circulating in the exchanger 6.
  • This water is successively reheated in the liquid phase from 42 ° C to 310 ° C, then brought to the boil at saturation pressure at 310 ° C, ie at 99 bar, or 340 ° C and 145 bar, second variant of the exchanger 6, and finally this water is superheated to 400 ° C, or 500 ° C, second variant of the exchanger 6.
  • the superheated steam is expanded in a turbine 7 which, in the variant described, drives an alternator 10.
  • the expanded vapors, partially two-phase after this expansion, are condensed in a condenser 8, air condenser.
  • the liquid thus formed is compressed by a pump 9 at a pressure of 99 bar, 145 bar, in the case of the second variant.
  • thermal energy can be recovered from the cooling circuit 3 of the heat engine 1.
  • the heat exchanger 5 recovering the energy from the cooling circuit 3 of the heat engine 1 comprises a recovery circuit 4.
  • the connections between the recovery circuit 4 and the cooling circuit 3 of the heat engine 1 are not shown.
  • the condensing temperature is 40 ° C in the air condenser 8.
  • the condensing temperature can typically vary from 10 ° C to 65 ° C, between winter and summer in the hottest countries.
  • the energy recoverable in the case of a condensation temperature of the steam equal to 10 ° C is higher than that recovered in the case of a condensation temperature equal to 65 ° C.
  • An alternator 10 coupled to the turbine 7 transforms mechanical energy into electrical energy.
  • the fumes circulate in the exchanger 6 against the flow of water.
  • the temperature of the fumes varies from 900 ° C to 50 ° C while the water temperature varies from 40 C C to 400 ° C in the first variant and up to 500 ° C in the second variant.
  • the vaporization takes place at 310 ° C, under a pressure of 99 bar.
  • the vaporization takes place at 340 ° C, under a pressure of 145 bar.
  • the exchanger 6 is therefore both a water heater and a boiler.
  • Pec h 1000 M, expressed in kW.
  • the mechanical power extracted is expressed as a function of the smoke flow from the efficiency of the turbine cycle:
  • the alternator 10 has an efficiency of 0.9.
  • Cooling is pure cooling for nitrogen, cooling and condensation for water, cooling and anti-sublimation for C0 2 (Resp. S0 2 ). To understand where liquid water and solid C0 2 are extracted
  • Point A is a representative point of C0 2 at the inlet of the first (n ° 1) cooler evaporator 25.
  • the pressure is 1 bar
  • the temperature is 50 ° C (323 K)
  • the enthalpy of C0 2 (Resp. S0 2 ) is 450.8 kJ / kg (see table 5).
  • Point B is a point representative of the state of C0 2 (Resp. S0 2 ) at the outlet of the exchanger 11, the temperature is 40 ° C, the enthalpy is shown in Table 5.
  • Point C is a representative point of C0 2 (Resp.
  • Point D is a representative point of C0 2 (Resp. S0 2 ) on the complete solidification curve of C0 2 (Resp. S0 2 ) at - 80 ° C. Solidification takes place on the wall of the anti-sublimation 39 evaporator tube (no. 1). The complete gas / solid phase change required a cooling energy of 568 kJ / kg.
  • Point E is a representative point of C0 2 (Resp. S0 2 ), during the defrosting operation by sublimation of solid C0 2 (Resp. S0 2 solid) in the evaporator enclosure (n ° 2) anti-sublimation 40. This operation causes the pressure to rise by partial sublimation of solid C0 2 (Resp. S0 2 solid), which increases the vapor pressure up to 5.2 bar.
  • Point F is a representative point of C0 2 (Resp. S0 2 solid, at the end of fusion of C0 2 (Resp. S0 2 solid), at pressure constant 5.2 bar.
  • the C0 2 (Resp. S0 2 liquid) is therefore entirely liquid at point F.
  • Table 6 gives the variations in temperature, enthalpy and mass fractions at the inputs and outputs of the exchangers and the sections of piping connecting them. As well as the variation of the flow according to the successive captures of the water vapors, then of C0 2 (Resp. S0 2 ), by indicating the quantity of energy extracted from each exchanger.
  • the pipe 13 of the flue gases and the pipe 55 for the release of nitrogen to the air are arranged in close contact and are thermally insulated from the outside.
  • the sections of the pipes 13 and 55 located between the elements 11, 25, 33, 39 and 40 constitute successive exchangers.
  • the cooling of the fumes in the exchanger 11 from 50 to 40 ° C with partial condensation of the water requires a power of 109 M (kW), in the example treated the water begins to condense in this exchanger for cooling the fumes 11.
  • the condensation of water can start in the exchanger 6.
  • the point temperature dew of water is around 50 ° C for a mass concentration of water in the smoke of 8.6%.
  • the smoke flow rate at the outlet of the exchanger 11 is equal to 0.964 M.
  • the mass fraction of water increased from 8.6% to 5%.
  • the exchanger 11 is designed to allow evacuation water condensate through the pipe 14.
  • the pipe 14 connects the exchanger 11 to the water collection tank 16.
  • the fumes in the pipe 13 are cooled by the pipe 55 from the outlet of the exchanger 11 to the inlet of the exchanger 25.
  • These pipe sections are also thermally insulated from the outside.
  • the change in enthalpy of the nitrogen flow of 0.719 M (kg / s) is transmitted with an exchange efficiency of 90% at the flow rate of the fumes flowing in the pipe 13 on each of the 3 sections of the above-mentioned exchangers.
  • the energy transferred by the nitrogen flow between the exchangers 11 and 25 is 26.3 M (kW). It is used both to condense part of the water vapor which is reduced to 4.2% and to cool the flow of flue gases to 36.5 ° C at the inlet of the exchanger 25.
  • the smoke flow is at a temperature of 1 ° C. which requires a cooling power of 138 M (kW) in the exchanger 25 to allow such a lowering of the temperature of the fumes and the condensation of the remaining water vapor.
  • the temperature of the fumes is regulated at 1 ° C to avoid frosting of the water contained in the fumes.
  • the section and the design of the first (n ° 1) evaporator cooler 25 ensure a thorough dehumidification of the smoke flow. Typically, less than 0.05% water by mass remains in the fumes at the outlet of the first (n ° 1) cooler evaporator 25.
  • the smoke pipe 13 is in communication with the internal chamber of the first (n ° 1) cooler evaporator 25.
  • the water extracted from the fumes during its passage in the first (n ° 1) cooler evaporator 25 is recovered in the internal room . It is then transferred to the water collecting tank 16 via the water evacuation pipe 15 from the first (n ° 1) cooler evaporator 25.
  • the fumes leaving the first (n ° 1) cooler evaporator 25 pass through a dehydrator 56 which ensures the complete drying of the fumes.
  • the anhydrous mass flow rate of the fumes, denoted M N 2 + co2 + so2f is equal to 0.914 of the flow rate M leaving the heat engine 1.
  • the nitrogen flow circulating in the pipe 55 provides a cooling power of 14 M (kW) to the pipe section 13 which connects the exchanger 25 to 33 and cools the residual smoke flow M N2 + C o 2+ so 2 d 'nitrogen and C0 2 (Resp. S0 2 ) down to a temperature of -14 ° C at the inlet of exchanger 33.
  • the residual flow M N2 + ⁇ 2 + so 2 enters one of the two anti-sublimation evaporators (n ° l) 39 or (n ° 2) 40 at a temperature of - 72 ° C because the piping 55 provided a cooling power of 47 M (kW).
  • the shape and design of the two anti-sublimation evaporators (n ° l) 39 or (n ° 2) 40 allow a long residence time of the gases.
  • the residual smoke flow M N2 + co2 + so2 is cooled to anti-sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) which requires a cooling capacity of 125.9 M (in kW).
  • the C0 2 (Resp. S0 2 ) which requires a cooling capacity of 125.9 M (in kW).
  • the refrigerant Before expansion in the expansion valve (n ° 1) 41, the refrigerant passes through the anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40 which is in the defrosting phase.
  • the refrigerant thus recovers the fusion energy of C0 2 .
  • the recoverable energy corresponds, on the diagram in Figure 2, to the passage from point D (solid C0 2 at 0.85 bar) (Resp. S0 2 ) to point F (liquid C0 2 at 5.2 bar) (Resp S0 2 ).
  • the change in gross enthalpy is 228 kJ / kg.
  • the transfer efficiency of the exchangers is 90%. Consequently, the energy recovered is equal to 205 kJ / kg.
  • the electrical powers (expressed in kW) that can be recovered in the case of the two embodiments described above are respectively equal to 304.5 M and 325.4 M. They are greater than the electrical power of compression that the compressor must provide to produce the cooling capacity. Indeed, expressed in kW as a function of the smoke flow M, the electrical compression power is of the order of 187 M.
  • Table 7 gives the COPs according to the evaporation temperatures.
  • This table is used to calculate the electrical power consumed by the compressor according to the temperature level at which the cooling power is supplied.
  • the performance coefficients are used to calculate the power consumed by the compressor to supply the cooling power to the different exchangers.
  • the cooling capacity supplied to the exchanger 25, to cool the flue gases to 0 ° C, is supplied at - 5 ° C.
  • the cooling power supplied to the second smoke cooler evaporator 33 is supplied at -30 ° C.
  • As the cooling capacity to be supplied is equal to 5.4 M (Table 6) and as the coefficient of performance is 1.9
  • the cooling capacity necessary for cooling the nitrogen from 50 to - 90 ° C was taken into account in the calculations of each exchanger.
  • the electric power consumed by the refrigeration compressor as a function of the smoke flow M is therefore 187 M in kW.
  • This power is to be compared to the electric power recovered on the smoke flow which is variable between 304.5 M and 325.4 M.
  • the electric power of the compressor therefore represents around 60% of the electric energy recoverable by the steam recovery cycle described above.
  • the refrigeration compressor 17 draws in the mass flow in the vapor phase of one of the above-defined multi-component refrigerant mixtures. More particularly, in the case of the variant embodiment which will be described below, the mixture is composed of five components whose mass percentages are as follows: • R-50 (1%)
  • the suction pressure is 1.7 bar.
  • the condensing pressure, for a condensate outlet temperature of 40 ° C, is 22 bar.
  • the partial refrigerating condenser 18 is cooled by a cooling circuit 19, the cooling circuit of the partial refrigerating condenser. Water or air circulates in the cooling circuit 19.
  • the partial refrigeration condenser 18 is a liquid and gaseous phase separator of the total flow of incoming refrigerant, hereinafter designated Mf.
  • the flow in the gas phase hereinafter designated Mtêtel, leaves at the top, at the top, from the partial refrigerating condenser 18 by the piping 20.
  • the liquid flow hereinafter designated Mpiedl, exits at the bottom, at the bottom, by the piping 21
  • the liquids are drained at the bottom of the partial refrigerating condenser 18 due to gravity.
  • the liquid flow (Mpiedl) cools down in the liquid-vapor exchanger (n ° 1) 26. This flow (Mpiedl) is approximately equal to 50% of the total refrigerant flow (Mf).
  • the liquid flow (Mpiedl) is rich in the heaviest components, that is to say here the R-600 and the R-744, and expands in the regulator 24 at the evaporation pressure of 1.7 bar.
  • the expanded liquid flow (Mpiedl) evaporates successively in the first (n ° 1) evaporator-condenser 22 then in the first (n ° 1) evaporator cooler of fumes 25 where the evaporation is completed.
  • the fluid flow (Mpiedl) thus completely vaporized will give up its coldness in the heat exchanger (n ° 1) of the liquid vapor 26 and then join the suction manifold of the compressor 17 by the piping 27.
  • the gas flow (Mtêtel), leaving the partial condenser 18, represents the other 50% of the total refrigerant flow (Mf).
  • the gas flow (Mtêtel) will partially condense in the first (n ° 1) evapo-condenser 22.
  • This flow (Mtêtel) become two-phase (liquid-vapor) at the outlet of the first (n ° 1) evapo-condenser 22 will separate into independent liquid and vapor phases in the separator tank 28.
  • the vapor phase flow rate (Mtête2) comes out at the top of the tank separator 28 by the piping 29.
  • the liquid flow (Mpied2) leaves at the bottom of the separator tank 28.
  • the gas flow (Mtêtel) leaving at the head of the partial condenser 18, has thus been separated into two flows: a gas flow (Mtête2) representing 40% of the incoming flow (Mtêtel) and a liquid flow (Mpied2) representing 60% of the incoming flow (Mtêtel).
  • the gas phase flow (Mtête2) leaving the separator tank 28 through the piping 29 will fully condense in the second (n ° 2) evaporator-condenser 32.
  • the entirely liquid flow (Mtête2) alternately evaporates in the evaporators (n ° l) or (n ° 2) of anti-sublimation 39 or 40.
  • the liquid flow (Mtête2) passes through the first (n ° 1) three-way valve 37. This valve is open on the piping 38 and therefore closed on the piping 44.
  • the liquid flow (Mtête2) is sub-cooled in the second evaporator (n ° 2) of anti-sublimation 40 which then serves as a sub-cooling exchanger during its defrosting phase of C0 2 .
  • the sub-cooled liquid flow (Mtête2) is then expanded in the first (n ° 1) expansion valve 41. Then, it evaporates in the first (n ° 1) anti-sublimation evaporator 39.
  • the liquid refrigerant mixture (Mtête2) after expansion in the pressure reducer (n ° l) 41 evaporates in the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39 at a starting temperature of approximately - 100 ° C up to at a temperature of the order of - 70 ° C at the outlet.
  • the fumes from the second (n ° 2) smoke cooler evaporator 33 pass through the fourth (n ° 4) three-way valve 53 to go to the first anti-vaporizer (n ° 1) sublimation 39. In this case, the fumes do not go into the second evaporator (no.
  • the refrigerant Before entering the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39, the refrigerant enters around - 45 ° C in the second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40, which operates as a sub-exchanger - cooling.
  • the refrigerant sub-cools from - 45 ° C to - 78 ° C at the start of the C0 2 defrosting cycle (Resp. S0 2 ) and only from - 45 ° C to - 55 ° C at the end defrost cycle C0 2 (Resp. S0 2 ).
  • liquid C0 2 accumulates in the lower part of the second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40.
  • the third (n ° 3) three-way valve 47 is open. It is thus possible to aspirate the liquid C0 2 (Resp. S0 2 liquid) by means of pump 48, the liquid CO2 suction pump (Resp. S0 2 liquid).
  • the pump 48 is for example an electric pneumatic pump making it possible to aspirate both liquid and gas.
  • the pump 48 transfers the liquid C0 2 (Resp. S0 2 liquid) to the storage tank 49, then sucks the vapors of C0 2 (Resp.
  • second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40 at operating pressure, either 0.85 bar abs., or 1 bar abs., depending on the technical option chosen for the circulation of smoke.
  • a removable tank 51 is connected to the storage tank 49.
  • the pump 50 the pump filling of the removable tank, allows filling of the removable tank 51 from the storage tank 49.
  • the valve 52 allows pressure balancing between the two tanks 49 and 51 if necessary.
  • the removable tank 51 allows the transport of captured C0 2 (Resp. S0 2 captured). A new removable vacuum tank replaces the one that has been filled.
  • the nitrogen vapors pass through the fifth (n ° 5) three-way valve 54, then join the piping of nitrogen 55 air vent.
  • the fifth (n ° 5) three-way valve 54 puts in communication, as the case may be, the nitrogen 55 air piping either with the first (n ° 1) anti-sublimation evaporator 39, ie with the second (n ° 2) anti-sublimation evaporator 40.
  • the nitrogen flow M N2 in the nitrogen 55 venting pipe, now only represents 71.9% of the initial mass flow of the fumes.
  • the pressure of nitrogen alone is equal to 0.736 bar, without taking into account either pressure drops or trace gases.
  • the pipe 2 for the outlet of the heat engine 1, the smoke pipe 13 and the nitrogen vent pipe 55 are in communication, they constitute the same circuit.
  • FIG. 3 is that of an air compressor 57 injecting an air flow through the piping 58, the venturi injection piping, at the neck of a venturi 59 allowing the suction of the flow of nitrogen at a pressure of the order of 0.65 bar and preventing the entry of air into the system.
  • This solution also has the advantage of recreating a mixture of nitrogen and oxygen at the outlet of the venturi.
  • Another solution, not shown in FIG. 3, is to install a compressor with a small pressure difference, of the blower type, at the outlet of the flue gas heat exchanger 11, in the flue pipe 13 to create the overpressure which allows the nitrogen flow or the nitrogen flow with trace components to be returned to the atmosphere at the outlet of the nitrogen venting pipe 55.
  • the flows of nitrogen and trace components can be reintegrated in a mixer with an additional flow of air suitable for create a so-called lean fuel mixture.
  • the combustion of this combustible mixture is favorable for reducing pollutants and increasing the energy efficiency of a heat engine designed for this purpose. Note that during the defrosting of C0 2 (Resp. S0 2 ) on the anti-sublimation exchanger in operation, the temperature varies between - 80 ° C and - 55 ° C. This significant variation in temperature can be used to regulate the alternation of the two anti-sublimation evaporators.
  • the present invention also relates to a method and a system allowing the extraction (capture) of C0 2 and / or S0 2 by anti-sublimation (icing) at atmospheric or almost atmospheric pressure at + or - 0.3bar of C0 2 , in methane (CH 4 ) extracted from deposits.
  • the capture of S0 2 alone also applies to gaseous effluents or fumes, when this S0 2 is at concentrations varying between 0.1% and 3%. It relates more particularly to a process and a system allowing the capture by solidification of C0 2 and / or S0 2 in the gas phase, contained in a methane gas flow, in particular for methane (CH 4 )) extracted from deposits.
  • the Kyoto Protocol consists of commitments by signatory countries to limit these emissions.
  • the capture of carbon dioxide and its sequestration are essential objectives for economic development and the maintenance of atmospheric concentrations at levels limiting climate change.
  • SOx emissions S0 2 , S0 3 and other oxides
  • SOx emissions are already regulated both to avoid acid rain and to limit respiratory accidents in urban areas.
  • the capture of CO2 and S0 2 constitute existing or emerging markets for depollution systems.
  • the present invention relates to a process for capturing carbon dioxide and minority species at low partial pressure by anti-sublimation.
  • Methane (CH 4 ) liquefies at atmospheric pressure at -161.5 ° C while C0 2 , S0 2 , according to their partial pressures in the gas mixture, will pass from the gas phase to the solid phase under atmospheric pressure at variable temperatures between -80 and -120 ° C.
  • S0 2 will be frosted on any cold wall whose temperature is typically lower than -75 ° C for a volume concentration of the order of 0.5%.
  • These bodies can then be recovered in the liquid phase by an alternating icing / defrosting process where pressure and temperature rise above the respective triple points of C0 2 and S0 2 in a closed and sealed enclosure during this defrosting.
  • this alternating defrosting process can be designed so as to recover the defrosting energy.
  • the invention relates to a method for extracting C0 2 and / or S0 2 .
  • the method according to the invention comprises the step of cooling methane extracted from a borehole, to a pressure substantially equal to atmospheric pressure at a temperature such that C0 2 and / or S0 2 pass directly from the state solid state vapor, via an anti-sublimation process.
  • the step consisting in cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or SO 2 pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process further comprises the step of cooling the methane extracted from a borehole on the one hand, and the C0 2 , the S0 2 , on the other hand, by supplying frigories by means of a fractional distillation of a mixture of refrigerants. This fractional distillation is carried out at decreasing, staged temperatures, of the mixture of refrigerants in a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation.
  • the step consisting in cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that the CO 2 and / or the SO 2 pass directly from the vapor state to the solid state.
  • a step of melting C0 2 , and / or S0 2 in a closed enclosure.
  • the pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of C0 2 , and / or of S0 2 , as the mixture of refrigerants, while sub-cooling, brings calories into said enclosure closed.
  • the mixture of refrigerants successively ensures:
  • the method according to the invention further comprises the step of storing C0 2 and / or S0 2 , in liquid form in a tank, in particular removable.
  • the step of storing the CO2 and / or the SO 2 , in liquid form in a tank, in particular removable comprises the following steps: the step of aspirating the C0 2 , and / or the S0 2 , in liquid form contained in said closed enclosure,
  • the method according to the invention further comprises the step of cooling the methane extracted from a borehole to the anti-sublimation temperature of C0 2 and / or S0 2 , at a pressure substantially equal to atmospheric pressure using the cooling energy available in said flue gases without additional supply of energy.
  • the system according to the invention comprises cooling means for cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure at a temperature such that C0 2 and / or S0 2 pass directly from the state solid state vapor, via an anti-sublimation process.
  • the cooling means for cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure at a temperature such as C0 2 and / or S0 2 pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process further include an integrated cascade refrigeration unit for cooling the methane flow and C0 2 and / or S0 2 by supplying frigories by means of fractional distillation, a mixture of refrigerants.
  • the fractional distillation of the mixture of refrigerants is carried out at decreasing temperatures, stepped, according to a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation.
  • the refrigeration unit includes: a compressor, a partial condenser, a separator tank, evapo-condensers, smoke cooling evaporators, liquid-vapor exchangers, anti-sublimation evaporators, pressure reducers.
  • the system according to the invention further comprises a closed enclosure traversed by a circuit in which a mixture of refrigerants circulates. The pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of C0 2 , and / or SO 2 as and when:
  • the mixture of refrigerant fluids by sub-cooling, provides calories in said closed enclosure, said s C0 2 and / or SO 2 pass from the solid state to the liquid state.
  • the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of C0 2 and / or S0 2 , in said closed enclosure and the anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 circulating in open circuit in a symmetrical enclosure of the previous.
  • the fusion and anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 are alternately carried out in one and the other of said enclosures: one being closed, the other being open.
  • the system according to the invention further comprises storage means, in particular a fixed and / or removable reservoir for storing the C0 2 and / or the S0 2 in liquid form.
  • storage means in particular a fixed and / or removable reservoir for storing the C0 2 and / or the S0 2 in liquid form.
  • the means for storing C0 2 and / or S0 2 in liquid form in a fixed and / or removable tank also comprises suction means, in particular a pneumatic pump.
  • the suction means make it possible to selectively recover S0 2 and C0 2 when they are captured together: S0 2 returns to the liquid state at a temperature of -75.5 ° C and at a pressure from 0.016664 bar the C0 2 returns to the liquid state at a temperature of -56.5 ° C and a pressure of 5.2 bar.
  • the suction means also make it possible: to reduce the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, to transfer the C0 2 and / or the liquid SO2 in said tank.
  • the system according to the invention further comprises compression and / or suction means for transferring the methane extracted from a borehole into devices corresponding to storage, or to subsequent treatments, after extraction of the C0 2 and / or SO 2 contained in methane.
  • the system according to the invention further comprises transfer means for transferring the frigories contained in the methane after separation of the C0 2 , the S0 2 from the total flow (methane + C0 2 + S0 2 ) entering the pipes of the refrigeration system and thus contribute to the cooling of said total flow.
  • the gases to be treated are composed: - on the one hand of methane (CH 4 ) whose typical concentration can be 90 to 99%, on the other hand of minority species: C0 2 whose volume concentration can vary from 1 at 10%, and / or S0 2 , the concentration of which can vary from 0.1% to 3%,
  • the total flow rate comprising methane extracted from a borehole and C0 2 and / or S0 2 is cooled by a refrigeration cycle at a gradually low temperature to allow anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 at a temperature between - 80 ° C and -120 ° C and at a pressure which is of the order of atmospheric pressure at + or - 0.3 bar.
  • anti-sublimation here designates a direct gas / solid phase change which occurs when the temperature of the gas concerned is below that of the triple point.
  • FIG. 1 recalls the diagram of coexistence of the solid, liquid and vapor phases in the pressure-temperature diagram of C0 2 . This diagram is valid for any pure body and in particular for S0 2 . Below the triple point, the changes take place directly between the solid phase and the vapor phase. The transition from solid to vapor is called sublimation. He does not exist commonly used to designate the reverse passage.
  • anti-sublimation has been used, in the present description, to designate the direct passage from the vapor phase to the solid phase. Below room temperature, the total flow is cooled in a circuit comprising several exchange segments.
  • the two anti-sublimation evaporators operate alternately.
  • the total flow passes alternately on one or the other of the two evaporators.
  • the frost of C0 2 and / or S0 2 is fixed on the external walls of the exchanger circuit located in the anti-sublimation evaporator. This deposit gradually creates an obstacle to the circulation of methane extracted from a borehole. After a certain operating time on this evaporator, the total flow rate as well as the flow rate of the mixture of refrigerants are respectively switched over to the symmetrical evaporator. In this second evaporator, the mixture of refrigerants evaporates inside the exchanger and the CO 2 and / or S0 2 is deposited on the external surface of the latter.
  • the temperature therefore rises in this first evaporator.
  • This temperature rise is accelerated by circulating the liquid refrigerant before expansion, in the exchanger of the first evaporator.
  • S0 2 and / or C0 2 solids heat up from temperatures which can be between -80 and -120 ° C up to the respective melting temperatures.
  • the sublimation of frosted species on the walls of the exchanger produces vapors which increase the pressure in the enclosure from the evaporator during defrosting until the respective pressures corresponding to the triple points of the different substances are reached (0.016 bar for S0 2 , 5.2 bar for CO 2 ).
  • the melting of the frost then takes place from the solid phase to the liquid phase.
  • the SO 2 , the minority species and the C0 2 are fully in the liquid phase, they are transferred by relative depression into one or more thermally insulated tanks.
  • transfers can be carried out at successive pressures corresponding to the preferential presence of one of these bodies.
  • the pump is also able to suck up the residual gas (es). It is thus possible to reduce the pressure inside the enclosure of the anti-sublimation evaporator of the final pressure corresponding to the end of defrosting to the initial pressure close to atmospheric pressure, so that the total flow can enter it again and the C0 2 and / or S0 2 can be separated from the methane there.
  • the refrigeration device implements a cooling principle, known per se, known as integrated cascade.
  • the refrigeration device according to the invention has specific technical features which will be described below.
  • the process according to the invention uses a mixture of refrigerants.
  • the refrigeration apparatus according to the invention comprises a single compressor, two intermediate evapo-condensers and the two low temperature anti-sublimation evaporators in parallel previously described. Intermediate evapo-condensers allow both the distillation of the refrigerant mixture and the gradual cooling of the smoke flow.
  • the refrigerant mixtures used to carry out a cycle can be ternary, quaternary or five-component mixtures.
  • the mixtures described integrate the constraints of the Montreal Protocol which prohibits the production and, ultimately, the use of refrigerant gases containing chlorine. This implies that no CFC (Chloro-fluorocarbon), nor H-CFC (Hydro-Chloro-Fluoro-carbide) is retained in the usable components, although several of these fluids are functionally quite interesting to be used as working fluids in an integrated cascade.
  • the Kyoto Protocol also imposes constraints on gases with high Global Warming Potential (GWP). Even if they are not prohibited at present, preferably, according to the invention, fluids are used whose GWP is as low as possible.
  • the mixtures which can be used in the integrated cascade according to the invention, for carrying out the capture of C0 2 in the flue gases, are indicated below.
  • Ternary mixtures can be mixtures of
  • Methane / C0 2 / R-152a i.e., by adopting the standard nomenclature (ISO 817) of refrigerants, mixtures R-50 / R-744 / R-
  • the quaternary mixtures can be mixtures: of R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, or of R-50 / R-170 / R-744 / R-600, or of R-50 / R-170 / R-744 / R-600a.
  • the R-50 can also be replaced by the R-14 but its GWP is very high (6500 kg C0 2 equivalent). ° Five-component mixtures
  • Mixtures with 5 components can be made by choosing 5 of these components from the list of the following 8 fluids: R-740, R-50, R-14, R-170, R-744, R-600, R-600a, R-152a in adequate proportions with gradually staged critical temperatures, these critical temperatures being presented in Table 2.
  • R-50 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600 or R-740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600 or R-740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600a or R -740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-152a or of R-740 / R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, R-740 being argon.
  • Table 2 gives the main thermochemical characteristics and the names of these fluids.
  • the two intermediate evapo-condensers and the anti-sublimation evaporators make up the three temperature stages of the integrated cascade. These three stages all operate at the same pressure since they are all connected to the compressor suction, but the average temperatures in these three stages are typically of the order of - 5 ° C, - 30 ° C and - 90 ° C since there is a temperature difference between the flow of refrigerants circulating in the other piping of each of the exchangers.
  • the cascade can have 4 stages at respective average temperatures of the order of - 5 ° C, -40 ° C, -85 ° C and - 120 ° C.
  • the flow rates of the refrigerant mixture in the three or four stages of the integrated cascade depend on the proportion of the components in the refrigerant mixtures. There is therefore a link between composition and temperature levels of the waterfall.
  • the data below relates to a refrigeration appliance with integrated cascade using a mixture of five-component refrigerants with the following mass composition: • R-50 1%
  • the proportion between flammable and non-flammable components is such that the mixture is a non-flammable safety mixture.
  • the critical temperature of this mixture is 74.2 ° C and its critical pressure 50 bar.
  • the proportions of the components with the highest critical temperature are predominant in the mixture because their evaporation in the two intermediate stages makes it possible to distill the components at low critical temperature.
  • the components at low critical temperature can then evaporate at low temperature in the anti-sublimation evaporator which is a double evaporator, operating alternately on one or the other of its parallel pipes.
  • the exchangers in the cascade are counter-current exchangers. They allow the use of very large temperature differences between inputs and outputs.
  • the methane is subsequently liquefied, then cooling continues according to the usual methane liquefaction process. However, if it is not, then the “Coldness” of the methane leaving the anti-sublimation evaporator of C02 and / or S02 can be used to cool the total flow. The participation of the cold methane flow leaving the anti-sublimation evaporator in the cooling of the total flow occurs until the temperature of the methane has returned to ambient temperature. The methane pressure is then equal to values between 90% and 99% of the initial pressure of the total flow, taking into account the capture of C0 2 and / or S0 2 . The overpressure necessary for circulation is achieved for example by an air compressor whose flow injected into a venturi allows the extraction of the methane flow after extraction of C0 2 , and / or S0 2 .
  • Another design consists in compressing the total flow upstream of the refrigeration system so as to create a slight overpressure relative to atmospheric pressure all along the methane circuit extracted from a borehole.

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Abstract

The invention relates to a method and a system for extracting carbon dioxide and/or sulphur dioxide from methane or fumes resulting from hydrocarbon combustion. The inventive system comprises cooling means, such as a refrigerating device with integrated cascade (18, 22, 25, 26, 28, 32, 33, 34, 39, 40) for the cooling of the methane or the fumes at a pressure which is essentially equal to atmospheric pressure and at a temperature such that the carbon dioxide and/or the sulphur dioxide pass directly from vapour state to solid state through an anti-sublimation process.

Description

PROCEDE D'EXTRACTION DU DIOXYDE DE CARBONE ET DU DIOXÏDE DE SOUFRE PAR ANTI-SUBLIMATION EN VUE DE LEUR STOCAKGE PROCESS FOR THE EXTRACTION OF CARBON DIOXIDE AND SULFUR DIOXIDE BY ANTI-SUBLIMATION FOR THEIR STOCAKGE
La présente invention concerne un procédé et un système permettant l'extraction, ou capture, du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, par anti-sublimation à pression atmosphérique. Au sens de la présente invention par dioxyde de soufre on désigne le dioxyde de soufre (S02) proprement dit mais aussi des espèces chimiques du type SOx où x peut notamment prendre la valeur 3. Elle concerne plus particulièrement un procédé et un système permettant la capture du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, présent dans les fumées circulant dans les cheminées d' installations de production d'électricité ou de chaleur ou dans les tuyauteries d'échappement de moteurs de propulsion. Cette capture du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, est effectuée en vue de son stockage.The present invention relates to a method and system for the extraction, or capture, of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, by anti-sublimation at atmospheric pressure. Within the meaning of the present invention, sulfur dioxide denotes sulfur dioxide (S0 2 ) proper but also chemical species of the SO x type where x can in particular take the value 3. It relates more particularly to a process and a system allowing the capture of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, present in the fumes circulating in the chimneys of installations for the production of electricity or heat or in the exhaust pipes of propulsion engines. This capture of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, is carried out for storage.
Les émissions de dioxyde de carbone ou C02 liées aux combustions, aussi bien des systèmes de chauffage, de production d'énergie électrique ou de propulsion des véhicules, entraînent un accroissement de la concentration atmosphérique en C02, considéré comme inacceptable dans le long terme. Le Protocole de Kyoto consiste en des engagements des pays signataires pour limiter ces émissions. La sobriété et l'efficacité énergétique ne suffisent pas pour limiter les concentrations de C02 à des valeurs acceptables. La capture du gaz carbonique et sa séquestration constituent des objectifs indispensables pour le développement économique et le maintien de concentrations atmosphériques à des niveaux limitant le changement climatique.Emissions of carbon dioxide or C0 2 linked to combustion, whether from heating systems, electric power generation or vehicle propulsion, lead to an increase in the atmospheric concentration of C0 2 , considered unacceptable in the long term . The Kyoto Protocol consists of commitments by signatory countries to limit these emissions. Sobriety and energy efficiency are not enough to limit the concentrations of C0 2 to acceptable values. The capture of carbon dioxide and its sequestration are essential objectives for economic development and the maintenance of atmospheric concentrations at levels limiting climate change.
Pour des fumées de centrales de production d'énergie fonctionnant avec du charbon ou d'autres combustibles, y compris des hydrocarbures, contenant des concentrations variables de S02 comprises entre 0,1 % et au maximum 3 %, il est usuel de traiter ces fumées . Ces traitements sont effectués dans des unités spécifiques compte tenu des réglementations en vigueur pour limiter le rejet de SOx, S02, S03 et autres oxydes à l'atmosphère, ces substances étant en particulier responsables des pluies acides et, pour les zones urbaines, d'irritations et de maladies pulmonaires. Les réglementations pour la minimisation des émissions de SOx à des teneurs acceptables ont été mises en place dès le début des années 80 dans les pays développés . L' intérêt des présents procédé et système de l'invention consiste à capturer le S02, ou à co-capturer le C02 et le S02, voire des espèces mineures comme des hydrocarbures imbrûlés par anti-sublimâtion. En effet, ces espèces minoritaires présentes à des concentrations généralement inférieures au pour cent ont par conséquence des pressions partielles très basses dans les fumées et ne peuvent être capturées qu'au-dessous de leur point triple, donc en phase solide.For fumes from power plants operating on coal or other fuels, including hydrocarbons, containing variable concentrations of S0 2 of between 0.1% and a maximum of 3%, it is usual to treat these fumes. These treatments are carried out in specific units taking into account the regulations in force to limit the release of SO x , S0 2 , S0 3 and other oxides to the atmosphere, these substances being in particular responsible for acid rain and, for urban areas , irritation and lung disease. Regulations for minimizing SO x emissions to acceptable levels have been in place since the early 1980s in developed countries. The interest of the present process and system of the invention consists in capturing S0 2 , or in co-capturing C0 2 and S0 2 , or even minor species such as hydrocarbons unburnt by anti-sublimation. In fact, these minority species present at concentrations generally below one percent consequently have very low partial pressures in the fumes and can only be captured below their triple point, therefore in solid phase.
La présente invention concerne un procédé de capture du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, applicable à tout système de combustion. Le procédé selon l'invention présente la caractéristique de ne pas modifier l'efficacité énergétique des moteurs de propulsion ou des turbines de propulsion ou de production d' électricité mettant en œuvre de tels systèmes de combustion. La capture du C02 (Resp. S02) selon le procédé d' anti-sublimation à pression atmosphérique ou proche, se fait à accroissement de consommation énergétique nul ou extrêmement faible. On décrira à titre d' exemple la conception du système pour un moteur thermique automobile . ProcédéThe present invention relates to a method for capturing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, applicable to any combustion system. The method according to the invention has the characteristic of not modifying the energy efficiency of propulsion engines or propulsion or electricity production turbines implementing such combustion systems. Capture of C0 2 (Resp. S0 2 ) using the anti-sublimation pressure process atmospheric or near, is done with zero or extremely low increase in energy consumption. The system design for an automotive heat engine will be described by way of example. Process
L' invention concerne un procédé d' extraction du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, des fumées provenant de la combustion d'hydrocarbures en présence de l'oxygène et de l'azote de l'air dans un appareil destiné notamment a la production d'énergie mécanique. Le procédé selon l'invention comprend l'étape de refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimationThe invention relates to a method for extracting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, from fumes from the combustion of hydrocarbons in the presence of oxygen and nitrogen from the air in an apparatus intended in particular for the production of mechanical energy. The method according to the invention comprises the step of cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the state solid state vapor, via an anti-sublimation process
De préférence, le procédé selon l'invention est tel que l'étape de refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation, comprend en outre l'étape d'extraire desdites fumées l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique. De préférence, pour extraire desdites fumées tout ou partie de l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique on utilise un échangeur à air ou à eau.Preferably, the method according to the invention is such that the step of cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process, further comprises the step of extracting said water from said fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure. Preferably, to extract all or part of said water from said fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure, an air or water exchanger is used.
De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape d'extraire l'intégralité des quantités d'eau résiduelles dans lesdites fumées en mettant en œuvre un échangeur frigorifique et/ou un déshydrateur.Preferably, the method according to the invention further comprises the step of extracting all the quantities of residual water in said flue gases by using a refrigeration exchanger and / or a dehydrator.
De préférence, l'étape consistant à refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation, comprend en outre l'étape de refroidir le mélange d' azote, de dioxyde de soufre, ou de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre, en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée d'un mélange de fluides frigorigènes . Cette distillation fractionnée est réalisée à des températures décroissantes, étagées, du mélange de fluides frigorigènes selon un cycle comportant une phase de compression et des phases de condensation et d' évaporation successives.Preferably, the step consisting in cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process, further comprises the step of cooling the mixture of nitrogen, sulfur, or carbon dioxide and sulfur dioxide, by supplying frigories by means of fractional distillation of a mixture of refrigerants. This fractional distillation is carried out at decreasing, staged temperatures, of the mixture of refrigerants in a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation.
De préférence, l'étape consistant à refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation, est suivi d'une étape de fusion du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, en enceinte fermée.Preferably, the step consisting in cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the 'solid state, via an anti-sublimation process, is followed by a step of melting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in a closed enclosure.
La pression et la température dans ladite enceinte fermée évoluent jusqu'aux points triples du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, au fur et à mesure que le mélange de fluides frigorigènes, en se sous- refroidissant, apporte des calories dans ladite enceinte fermée.The pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, as the mixture of refrigerants, while sub-cooling, provides calories in said closed enclosure.
De préférence, le mélange de fluides frigorigènes assure successivement :Preferably, the mixture of refrigerants successively ensures:
• la fusion du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, dans ladite enceinte fermée, et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, circulant, en circuit ouvert, dans une enceinte symétrique de la précédente.• the fusion of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in said closed enclosure, and the anti-sublimation of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, circulating, in circuit open, in a symmetrical enclosure from the previous one.
La fusion et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, sont alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes : l'une étant fermée, l'autre étant ouverte. De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape de stocker le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible. De préférence, l'étape de stocker le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible comprend les étapes suivantes :The melting and anti-sublimation of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, are alternately carried out in one and the other of said enclosures: one being closed, the other being open. Preferably, the method according to the invention further comprises the step of storing the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, in liquid form in a tank, in particular removable. Preferably, the step of storing the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, in liquid form in a tank, in particular removable, comprises the following steps:
- l'étape d'aspirer le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, liquide contenu dans ladite enceinte fermée, l'étape de ramener la pression dans ladite enceinte fermée à une pression proche de la pression atmosphérique, l'étape de transférer le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, liquide dans ledit réservoir.the step of sucking up the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, liquid contained in said closed enclosure, the step of reducing the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, the step of transferring the sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid in said tank.
De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape de rejeter l'azote à l'air extérieur après extractions successives des vapeurs d'eau, du dioxyde de carbone, du S02, d'espèces mineures comme les hydrocarbures imbrûlés contenues dans lesdites fumées .Preferably, the method according to the invention further comprises the step of rejecting nitrogen into the outside air after successive extractions of water vapors, carbon dioxide, SO 2 , minor species such as hydrocarbons unburnt contained in said fumes.
De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape de : transférer les frigories contenues dans l'azote rejeté à l'air extérieur aux fumées, et dePreferably, the method according to the invention further comprises the step of: transferring the frigories contained in the nitrogen discharged into the air outside the flue gases, and
• contribuer ainsi au refroidissement desdites fumées .• thus contribute to the cooling of said fumes.
De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape de refroidir lesdites fumées jusqu'à la température d' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique en utilisant l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées, au moins en partie sans fourniture additionnelle d' énergie . De préférence, pour utiliser l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées, le procédé selon l'invention comprend en outre les étapes suivantes : l'étape de réchauffer puis de vaporiser de l'eau au moyen desdites fumées, pour produire de la vapeur d'eau sous pression, l'étape de détendre ladite vapeur d'eau sous pression dans une turbine produisant de l'énergie mécanique ou électrique . SystèmePreferably, the method according to the invention further comprises the step of cooling said fumes to the anti-sublimation temperature of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, at a substantially equal pressure. at atmospheric pressure using the heat energy available in said fumes, at least in part without additional supply of energy. Preferably, to use the heat energy available in said fumes, the method according to the invention further comprises the following steps: the step of heating and then vaporizing water by means of said fumes, to produce steam d pressurized water, the step of relaxing said pressurized water vapor in a turbine producing mechanical or electrical energy. System
L' invention concerne également un système d' extraction du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, des fumées provenant de la combustion d'hydrocarbures en présence de l'oxygène et de l'azote de l'air dans un appareil destiné notamment à la production d'énergie mécanique.The invention also relates to a system for extracting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, from the fumes from the combustion of hydrocarbons in the presence of oxygen and nitrogen from the air. in an apparatus intended in particular for the production of mechanical energy.
Le système selon l' invention comprend des moyens de refroidissement pour refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation.The system according to the invention comprises cooling means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the solid state vapor, via an anti-sublimation process.
De préférence, les moyens pour refroidir lesdites fumées a une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation comprennent en outre des moyens d'extraction, notamment des échangeurs, pour extraire desdites fumées l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.Preferably, the means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the state solid, via an anti-sublimation process further include extraction means, in particular exchangers, for extracting said water fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
De préférence, les moyens d'extraction pour extraire desdites fumées tout ou partie de l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique comprennent un échangeur à air ou à eau. De préférence, pour extraire l'intégralité des quantités d'eau résiduelles dans lesdites fumées, les moyens d'extraction comprennent un échangeur frigorifique et/ou un déshydrateur. De préférence, les moyens de refroidissement pour refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, (ainsi que les espèces mineures) via un processus d' anti-sublimation comprennent en outre un appareil frigorifique à cascade intégrée pour refroidir le mélange d'azote, de dioxyde de soufre, ou de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre, en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée, d'un mélange de fluides frigorigènes. La distillation fractionnée du mélange de fluides frigorigènes est réalisée à des températures décroissantes, étagées, selon un cycle comportant une phase de compression et des phases de condensation et d' évaporation successives . L' appareil frigorifique comprend : un compresseur, un condenseur partiel, un réservoir séparateur, des évapo- condenseurs, des évaporateurs de refroidissement de fumées, des échangeurs liquide-vapeur, des évaporateurs d' anti-sublimation, des détendeurs.Preferably, the extraction means for extracting from said smoke all or part of the water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure comprise an air or water exchanger. Preferably, to extract all the quantities of residual water in said fumes, the extraction means comprise a refrigerant exchanger and / or a dehydrator. Preferably, the cooling means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state (as well as minor species) via an anti-sublimation process further includes an integrated cascade refrigeration unit for cooling the mixture of nitrogen, sulfur dioxide, or carbon dioxide and carbon dioxide sulfur, by supplying frigories by means of fractional distillation, of a mixture of refrigerants. The fractional distillation of the mixture of refrigerants is carried out at decreasing temperatures, stepped, according to a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation. The refrigerating apparatus includes: a compressor, a partial condenser, a separator tank, evaporative condensers, evaporators for cooling smoke, liquid-vapor exchangers, anti-sublimation evaporators, pressure reducers.
De préférence, le système selon l'invention comprend en outre une enceinte fermée parcourue par un circuit dans lequel circule un mélange de fluides frigorigènes. La pression et la température dans ladite enceinte fermée évoluent jusqu'aux points triples du dioxyde de carbone, ou du dioxyde de soufre et du dioxyde de soufre, au fur et à mesure que : • le mélange de fluides frigorigènes, en se sous- refroidissant, apporte des calories dans ladite enceinte fermée, le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent de l'état solide à l'état liquide. De préférence, le mélange de fluides frigorigènes assure successivement la fusion du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, dans ladite enceinte fermée et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, circulant en circuit ouvert dans une enceinte symétrique de la précédente. La fusion et l' nti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, sont alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes : l'une étant fermée, l'autre étant ouverte.Preferably, the system according to the invention further comprises a closed enclosure traversed by a circuit in which a mixture of refrigerants circulates. The pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of carbon dioxide, or sulfur dioxide and sulfur dioxide, as: • the mixture of refrigerants, by sub-cooling , brings calories into said closed enclosure, the sulfur dioxide, or the carbon dioxide and the sulfur dioxide, pass from the solid state to the liquid state. Preferably, the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of the sulfur dioxide, or of the carbon dioxide and sulfur dioxide, in said closed enclosure and the anti-sublimation of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, circulating in an open circuit in a symmetrical enclosure of the previous one. The fusion and the anti-sublimation of sulfur dioxide, or of carbon dioxide and sulfur dioxide, are alternately carried out in one and the other of said enclosures: one being closed, the other being open.
De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de stockage, notamment un réservoir fixe et/ou amovible pour stocker le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, sous forme liquide.Preferably, the system according to the invention further comprises storage means, in particular a fixed and / or removable reservoir for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form.
De préférence, les moyens de stockage du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, sous forme liquide dans un réservoir fixe et/ou amovible comprennent en outre des moyens d'aspiration, notamment une pompe pneumatique. Les moyens d' aspiration : aspirent le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, liquide contenu dans ladite enceinte fermée, ramènent la pression dans ladite enceinte fermée à une pression proche de la pression atmosphérique, transfèrent le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, liquide dans ledit réservoir. De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de compression et/ou d'aspiration pour rejeter l'azote à l'air extérieur après extractions successives des vapeurs d'eau, du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, contenus dans lesdites fumées. De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de transfert pour transférer les frigories contenues dans l'azote rejeté à l'air extérieur aux fumées et contribuer ainsi au refroidissement desdites fumées.Preferably, the means for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form in a fixed and / or removable tank also comprise suction means, in particular a pneumatic pump. The suction means: suck the sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid contained in said closed enclosure, reduce the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, transfer the dioxide of sulfur, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid in said tank. Preferably, the system according to the invention further comprises compression and / or suction means for discharging the nitrogen to the outside air after successive extractions of the water vapors, sulfur dioxide, or carbon dioxide. carbon and sulfur dioxide, contained in said fumes. Preferably, the system according to the invention further comprises transfer means for transferring the frigories contained in the nitrogen discharged to the air outside the flue gases and thus contributing to the cooling of said flue gases.
De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de récupération de l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées pour refroidir, au moins en partie sans fourniture additionnelle d'énergie, lesdites fumées jusqu'à la température d' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.Preferably, the system according to the invention further comprises means for recovering heat energy available in said fumes to cool, at least in part without additional supply of energy, said fumes to the anti-sublimation temperature of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, to a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
De préférence, les moyens de récupération de l' énergie calorifique disponible dans lesdites fumées comprennent :Preferably, the means for recovering the heat energy available in said fumes comprise:
° des moyens de réchauffage, notamment un échangeur, pour réchauffer et vaporiser de l'eau au moyen desdites fumées et pour produire de la vapeur d'eau sous pression,Heating means, in particular an exchanger, for heating and vaporizing water by means of said fumes and for producing pressurized steam,
• des moyens de détente, notamment une turbine, pour détendre ladite vapeur d'eau sous pression et produire de l'énergie mécanique ou électrique.• expansion means, in particular a turbine, for relaxing said pressurized water vapor and producing mechanical or electrical energy.
Description générale du procédé et du système selon 1' invention.General description of the method and system according to the invention.
On va maintenant décrire, de manière générale, une variante de réalisation de l'invention. Les explications qualitatives et quantitatives ont été développées dans le cas du dioxyde de carbone. Elles sont transposables par l'ingénieur du métier au cas du dioxyde de soufre, ou au cas du dioxyde de soufre et du dioxyde de carbone. Chaque fois qu'une telle transposition doit être effectuée la mention (Resp. S02) a été introduite. Les gaz d'échappement, appelés aussi fumées, sont composés typiquement de dioxyde de carbone (C02) , de vapeur d'eau (H20) et d'azote (N2) . On trouve aussi des composants en traces comme le CO, les NOx, le S02, des hydrocarbures imbrûlés, etc. L'ensemble des gaz en trace dans les fumées représentent des teneurs généralement inférieures à 1 à 2 %, néanmoins certains d'entre eux comme le S02 ou les hydrocarbures imbrûlés peuvent être capturés compte tenu de refroidissement de la totalité du débit gazeux par le procédé tel que décrit.We will now describe, in general, an alternative embodiment of the invention. Qualitative and quantitative explanations have been developed in the case of carbon dioxide. They can be transposed by the engineer in the trade to the case of sulfur dioxide, or to the case of sulfur dioxide and carbon dioxide. Whenever such a transposition must be carried out the mention (Resp. S0 2 ) has been introduced. Exhaust gases, also called fumes, are typically composed of carbon dioxide (C0 2 ), water vapor (H 2 0) and nitrogen (N 2 ). There are also trace components such as CO, NOx, S0 2 , unburnt hydrocarbons, etc. All of the trace gases in the fumes represent contents generally less than 1 to 2%, nevertheless some of them such as S0 2 or unburnt hydrocarbons can be captured taking into account the cooling of the entire gas flow by the process as described.
Le tableau 1 présente les compositions molaires et massiques typiques des fumées à l'échappement d'un moteur de combustion. Tableau 1Table 1 presents the molar and mass compositions typical of the fumes from the exhaust of a combustion engine. Table 1
Le tableau 2 présente des compositions molaires typiques de fumées de chaudières au charbon.Table 2 presents typical molar compositions of fumes from coal boilers.
Tableau 2Table 2
Selon le procédé de la présente invention, ces fumées sont refroidies à la fois pour récupérer de l'énergie mécanique et abaisser leurs températures un peu au-dessus de la température ambiante. Elles sont ensuite refroidies par un cycle frigorifique à température progressivement basse pour permettre l' anti-sublimation du C02 (Resp . S02) à une température qui se situe vers - 80 °C et à une pression qui est de l'ordre de la pression atmosphérique.According to the process of the present invention, these fumes are cooled both to recover mechanical energy and to lower their temperatures a little above ambient temperature. They are then cooled by a refrigerating cycle at a gradually low temperature to allow the anti-sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) at a temperature which is around - 80 ° C and at a pressure which is of the order of atmospheric pressure.
Le terme anti-sublimation désigne ici un changement de phase direct gaz / solide qui se produit quand la température du gaz concernée est au-dessous de celle du point triple. La figure 1 rappelle le schéma de coexistence des phase solide, liquide et vapeur dans le diagramme pression température. Ce diagramme vaut pour tout corps pur. Au-dessous du point triple, les évolutions se font directement entre la phase solide et la phase vapeur. Le passage du solide à la vapeur s'appelle la sublimation. Il n'existe pas de terme communément employé pour désigner le passage inverse. Le terme anti-sublimation a été utilisé, dans la présente description, pour désigner le passage direct de la phase vapeur à la phase solide. Les données thermodynamiques sur les fumées montrent que l'énergie disponible de 900 °C à 50 °C est un peu supérieure à 1 000 kJ / kg. L'exemple décrit montre qu'il est possible de convertir 34 à 36 % de cette énergie thermique en énergie mécanique par un cycle simple de turbine à vapeur ce qui, en prenant un rendement d'alternateur de 0,9, permet de récupérer de 30,5 à 32,5 % d'énergie électrique.The term anti-sublimation here designates a direct gas / solid phase change which occurs when the temperature of the gas concerned is below that of the triple point. Figure 1 recalls the coexistence diagram of the solid, liquid and vapor phases in the pressure temperature diagram. This diagram applies to any pure body. Below the triple point, the changes take place directly between the solid phase and the vapor phase. The transition from solid to vapor is called sublimation. There is no commonly used term for the reverse passage. The term anti-sublimation has been used, in the present description, to designate the direct passage from the vapor phase to the solid phase. The thermodynamic data on the fumes show that the energy available from 900 ° C to 50 ° C is a little more than 1000 kJ / kg. The example described shows that it is possible to convert 34 to 36% of this thermal energy into mechanical energy by a simple steam turbine cycle which, by taking an alternator efficiency of 0.9, makes it possible to recover from 30.5 to 32.5% of electrical energy.
Le système selon l'invention est constitué d'une part d'un dispositif producteur d'énergie permettant la transformation d'énergie thermique en énergie mécanique et/ou électrique et d'un dispositif consommateur d'énergie constitué par un appareil frigorifique conçu en cascade intégrée. Les gaz d'échappement évoluent thermiquement d'environ + 900 °C à -The system according to the invention consists on the one hand of an energy producing device allowing the transformation of thermal energy into mechanical and / or electrical energy and of an energy consuming device constituted by a refrigerating appliance designed in integrated waterfall. The exhaust gases change thermally from around + 900 ° C to -
90 °C. Au cours de ce refroidissement, les gaz produisent de l'énergie de 900 °C à environ 50 °C, puis consomment de l'énergie de la température ambiante (par exemple 40 °C) jusqu'à - 90 °C. L'exemple décrit montre que l'énergie disponible est significativement supérieure à l'énergie consommée et permet ainsi, successivement, d'extraire des fumées la vapeur d'eau, puis le C02 (Resp. S02) , en rejetant à l'atmosphère simplement de l'azote et les gaz en trace dont les températures de rosée sont inférieures à -90°C.90 ° C. During this cooling, the gases produce energy from 900 ° C to about 50 ° C, then consume energy from room temperature (for example 40 ° C) to - 90 ° C. The example described shows that the available energy is significantly higher than the energy consumed and thus makes it possible, successively, to extract fumes from the water vapor, then the C0 2 (Resp. S0 2 ), by rejecting at l simply nitrogen and trace gases with dew temperatures below -90 ° C.
La taille de la turbine à vapeur dépend du débit de fumée à traiter. Pour un moteur thermique d'automobile, il s'agit d'une petite turbine produisant une énergie électrique de l'ordre de 3 à 30 kW, selon la puissance et le régime de fonctionnement du moteur thermique lui-même. La vaporisation de l'eau du circuit producteur d'énergie mécanique est effectuée par échange entre un circuit à eau fermé sous pression et la tuyauterie d'échappement. En effet, l'extraction de l'énergie thermique des gaz d' échappement par un circuit à eau permet de limiter la perturbation mécanique sur les gaz d' échappement que provoquerait, par exemple, une turbine à gaz fonctionnant directement sur les fumées. Il est connu que les paramètres de fonctionnement des moteurs diesel ou à essence sont fortement perturbés par les modifications de la pression à l'échappement. Si ces modifications de la pression à l'échappement sont modifiées de manière significative, elles ont pour effet de diminuer l'efficacité énergétique des moteurs. La conception à contre courant de l' échangeur et le très grand gradient de température le long du circuit des fumées permet de réchauffer et de vaporiser l'eau du circuit de production d'énergie mécanique. Dans le cas de l'exemple décrit, la température de condensation est égale à 40 °C. Cette température de 40°C correspond aux conditions typiques été d'un condenseur à air.The size of the steam turbine depends on the flow of smoke to be treated. For an automobile heat engine, it is a small turbine producing electrical energy of the order of 3 to 30 kW, depending on the power and the operating speed of the heat engine itself. The vaporization of the water from the mechanical energy producing circuit is carried out by exchange between a closed water circuit under pressure and the exhaust piping. Indeed, the extraction of thermal energy from the exhaust gases by a water circuit makes it possible to limit the mechanical disturbance on the exhaust gases that would cause, for example, a gas turbine operating directly on the flue gases. It is known that the operating parameters of diesel or petrol engines are strongly disturbed by changes in exhaust pressure. If these changes in the exhaust pressure are changed significantly, they have the effect of reducing the fuel efficiency of the engines. The countercurrent design of the exchanger and the very large temperature gradient along the smoke circuit makes it possible to heat and vaporize the water in the mechanical energy production circuit. In the case of the example described, the condensation temperature is equal to 40 ° C. This temperature of 40 ° C corresponds to the typical summer conditions of an air condenser.
Cette eau est réchauffée jusqu'à une température de saturation variant entre 310 et 340 °C, à ces températures correspond une pression de saturation dans le bouilleur variant entre 99 bar et 145 bar environ. Le niveau de pression est ajusté en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Pour ajuster au mieux le niveau de pression, on modifie le débit d'eau à partir de la mesure de la température des gaz d'échappement à l'entrée et/ou à la sortie de l' échangeur. Le débit des fumées est très variable mais est connu par la connaissance du régime moteur et du débit de carburant. Ces données sont disponibles à la fois par le compte tour moteur et l'électronique de contrôle de l'injection de carburant. Ces données permettent de prévoir la gamme de débit d' eau à faire circuler dans le circuit de récupération d'énergie, la pression dans le circuit d'eau étant ajustée en fonction de la température des gaz d'échappement à l'entrée et/ou à la sortie de l' échangeur.This water is reheated to a saturation temperature varying between 310 and 340 ° C, at these temperatures corresponds a saturation pressure in the boiler varying between 99 bar and 145 bar approximately. The pressure level is adjusted according to the operating conditions of the engine. To best adjust the pressure level, the water flow is modified from the measurement of the temperature of the exhaust gases at the inlet and / or outlet of the exchanger. The smoke flow is very variable but is known by the knowledge of the engine speed and the fuel flow. This data is available both from the engine tachometer and the fuel injection control electronics. These data make it possible to predict the range of water flow to be circulated in the energy recovery circuit, the pressure in the water circuit being adjusted as a function of the temperature of the exhaust gases at the inlet and / or at the exit of the exchanger.
A cette pression d' ébullition, le liquide est donc transformé en vapeur. La vapeur est elle-même ensuite surchauffée jusqu'à des températures typiques de 400 °C à 550 °C en fonction du niveau de température disponible des gaz d'échappement. Puis la vapeur est détendue dans le corps de la turbine. Il est ainsi possible d'extraire de l'énergie mécanique à partir des fumées. La turbine peut entraîner un alternateur électrique, un volant d'inertie ou même directement le compresseur du système frigorifique. La version d'entraînement d'un alternateur électrique donne plus de souplesse selon les différents profils de mission d'un moteur thermique d'un véhicule. Les données ci-après évaluent les quantités d'énergie mécaniques disponibles dans le cas de deux fonctionnements du cycle.At this boiling pressure, the liquid is therefore transformed into vapor. The vapor is then itself superheated to typical temperatures of 400 ° C to 550 ° C depending on the available temperature level of the exhaust gases. Then the steam is expanded in the body of the turbine. It is thus possible to extract mechanical energy from the fumes. The turbine can drive an electric alternator, a flywheel or even directly the compressor of the refrigeration system. The drive version of an electric alternator gives more flexibility according to the different mission profiles of a vehicle thermal engine. The data below assess the quantities of mechanical energy available in the case of two cycle operations.
Dans un premier cas, la température de condensation est égale à 40°C et la température d' ébullition est égale à 310 °C. Dans le deuxième cas, la température de condensation est toujours égale à 40°C, mais la température d' ébullition est égale à 340°C. D'autre part, la vapeur est surchauffée dans le premier cas à 400°C, dans le deuxième cas à 500°C. Les exemples décrits sont choisis pour illustrer différentes conditions d'exploitation des températures des gaz d'échappement et fournir des chiffres typiques de puissances disponibles, exprimées en fonction du débit M de fumées, lui-même exprimé en kg/s. Ils permettent de généraliser le procédé selon l'invention à toute tuyauterie de rejet de fumées à haute température contenant du C02 (Resp. S02) . La récupération d'énergie sur les fumées les a donc amenées de températures typiques variant entre 750°C et 900°C jusqu'à des températures de l'ordre de 50°C à 80°C.In a first case, the condensation temperature is equal to 40 ° C and the boiling temperature is equal to 310 ° C. In the second case, the condensation temperature is always 40 ° C, but the boiling temperature is 340 ° C. On the other hand, the steam is superheated in the first case to 400 ° C, in the second case to 500 ° C. The examples described are chosen to illustrate different operating conditions of the exhaust gas temperatures and to provide typical figures of available powers, expressed as a function of the flow rate M of smoke, itself expressed in kg / s. They make it possible to generalize the process according to the invention to any high temperature smoke rejection pipe containing C0 2 (Resp. S0 2 ). Energy recovery from the fumes therefore brought them from typical temperatures varying between 750 ° C and 900 ° C up to temperatures of the order of 50 ° C to 80 ° C.
Les données ci-après fixent les ordres de grandeur des quantités d'énergie mécanique nécessaires pour refroidir les fumées, par un cycle frigorifique, jusqu'à la température d'anti-sublimation du C02 (Resp. S02) . Avant de parvenir aux échangeurs du dispositif frigorifique, les fumées sont refroidies de 50°C à la température ambiante. L'échange thermique pour refroidir les fumées de 50°C à la température ambiante s'effectue dans un échangeur à air ou à eau. Selon le niveau de température extérieure et selon les teneurs en composants traces, l'eau contenue dans le débit de fumées est partiellement condensée dans cet échangeur puisque la température de rosée pour des concentrations de l'ordre de 86 grammes d'eau par kg de fumée sèche est de l'ordre de 50°C. Cependant, compte tenu de la présence de gaz en trace dans les fumées, l'eau peut être acide et présenter des points de rosée spécifiques, supérieurs à ceux de l'eau pure. Les points de rosée sont dans ce cas typiquement compris entre 50°C et 100°C. On a décrit ci-après comment on procède pour condenser la vapeur d'eau sans prendre en compte les gaz en trace dans les fumées qui élèvent la température de rosée .The data below set the orders of magnitude of the quantities of mechanical energy necessary to cool the fumes, through a refrigeration cycle, up to the anti-sublimation temperature of C0 2 (Resp. S0 2 ). Before reaching the refrigeration system heat exchangers, the flue gases are cooled from 50 ° C to room temperature. The heat exchange to cool the flue gases from 50 ° C to room temperature takes place in an air or water exchanger. Depending on the outside temperature level and according to the contents of trace components, the water contained in the smoke flow is partially condensed in this exchanger since the dew temperature for concentrations of the order of 86 grams of water per kg of dry smoke is around 50 ° C. However, taking into account the presence of trace gases in the fumes, the water can be acidic and have specific dew points, higher than those of pure water. The dew points are in this case typically between 50 ° C and 100 ° C. We have described below how to condense the water vapor without taking into account the trace gases in the fumes which raise the dew temperature.
L'eau condensée peut, selon ces caractéristiques, être soit directement rejetée, soit stockée afin d'être préalablement traitée avant rejet. Au-dessous de la température ambiante, les fumées sont refroidies dans un circuit comportant plusieurs segments d'échange. Elles sont ainsi amenées à une température inférieure à la température d' anti-sublimation du C02 (Resp. S02) à pression atmosphérique ou proche de la pression atmosphérique. Entre l' échangeur à air et le premier échangeur de refroidissement de la cascade intégrée, le débit des fumées M est modifié puisque la vapeur d' eau qui y est contenue est condensée. Dans le cas où les concentrations massiques sont respectivement égales à : C02 = 19,5%, H20 = 8,6 % et N2 = 71,9 %, le débit des fumées M est sensiblement égal au débit anhydre, en négligeant les concentrations des gaz en trace, soit : C'est ce nouveau débit anhydre MN2+CO2+SO2 qui poursuit son refroidissement dans les différents échangeurs du système frigorifique avant de parvenir aux deux évaporateurs d' anti- sublimation. Lorsque la teneur en S02 est telle qu'indiquée au tableau 2, (0,4%), le S02 est encore présent en phase gazeuse à ce niveau de température, compte tenu de sa pression partielle qui est de l'ordre de 0,004 bar. Du fait que la température de surface des évaporateurs est inférieure à -90°C, le S02 s'y dépose concomitamment avec le C02. Cette co-capture du S02 s'effectue jusqu'à des concentrations volumiques de 3% qui sont des concentrations bien supérieures aux teneurs des fumées les plus riches en S02.Condensed water can, according to these characteristics, be either directly discharged, or stored in order to be treated beforehand before discharge. Below room temperature, the flue gases are cooled in a circuit comprising several exchange segments. They are thus brought to a temperature lower than the anti-sublimation temperature of C0 2 (Resp. S0 2 ) at atmospheric pressure or close to atmospheric pressure. Between the air exchanger and the first cooling exchanger of the integrated cascade, the smoke flow M is modified since the water vapor contained therein is condensed. In the case where the mass concentrations are respectively equal to: C0 2 = 19.5%, H 2 0 = 8.6% and N 2 = 71.9%, the flow rate of the fumes M is substantially equal to the anhydrous flow rate, in neglecting the concentrations of trace gases, namely: It is this new anhydrous flow M N2 + CO2 + SO2 which continues to cool in the various exchangers of the refrigeration system before reaching the two anti-sublimation evaporators. When the S0 2 content is as indicated in Table 2 (0.4%), the S0 2 is still present in the gas phase at this temperature level, taking into account its partial pressure which is of the order of 0.004 bar. Because the surface temperature of the evaporators is lower than -90 ° C, the S0 2 is deposited there simultaneously with the C0 2 . This co-capture of S02 takes place up to volume concentrations of 3% which are concentrations much higher than the contents of the fumes richest in S0 2 .
Les deux évaporateurs d' anti-sublimation ont un fonctionnement alternatif. Les fumées et le fluide frigorigène passent alternativement sur l'un ou l'autre des deux évaporateurs .The two anti-sublimation evaporators operate alternately. The fumes and the refrigerant pass alternately on one or the other of the two evaporators.
Pendant la phase d'anti-sublimation le givre de C02, respectivement le givre de S02, se fixe sur les parois externes du circuit de l' échangeur situé dans l'évaporateur d'anti- sublimation. Pour les fumées contenant du S02, le S02 passe lui aussi directement de la phase gazeuse à la phase solide compte tenu de sa pression partielle. Ce dépôt crée progressivement un obstacle à la circulation des fumées froides. Après un certain temps de fonctionnement sur cet évaporateur, les débits de fumées sur la partie externe de l' échangeur et les débits de fluide frigorigène à l'intérieur de l'échangeur sont respectivement basculés sur l'évaporateur symétrique. Dans ce second évaporateur, le fluide frigorigène s'évapore à l'intérieur de l'échangeur et le C02, respectivement le S02, se dépose sur la surface externe de celui-ci. Pendant ce temps, le premier évaporateur n'est plus le siège d'une évaporation, la température remonte dans le premier évaporateur. Cette remontée en température est accélérée en faisant circuler le frigorigène liquide avant détente, dans l' échangeur du premier évaporateur. Le C02 solide se réchauffe de - 78,5 °C, qui est la température d' équilibre de la phase solide et gazeuse à la pression atmosphérique, à - 56,5 °C et 5,2 bar qui sont les caractéristiques pression / température du point triple où coexistent donc les trois phases solide, liquide et gazeuse. Le C02 solide fond, c'est-à-dire passe de la phase solide à la phase liquide. De même à partir de -75,5°C et une pression plus basse de 0,016 bar, le S02 fond avant donc le C02 et peut être, si nécessaire, récupéré de manière privilégiée dans les premiers instants du dégivrage, par une extraction ad hoc par vide partiel. La pression dans cet échangeur continue de s'élever avec la remontée en température.During the anti-sublimation phase, the CO 2 frost, respectively the SO 2 frost, is fixed on the external walls of the exchanger circuit located in the anti-sublimation evaporator. For fumes containing S0 2 , S0 2 also passes directly from the gaseous phase to the solid phase taking into account its partial pressure. This deposit gradually creates an obstacle to the circulation of cold smoke. After a certain operating time on this evaporator, the smoke flow rates on the external part of the exchanger and the refrigerant flow rates inside the exchanger are respectively switched to the symmetrical evaporator. In this second evaporator, the refrigerant evaporates inside the exchanger and the C0 2 , respectively S0 2 , is deposited on the external surface of the latter. During this time, the first evaporator is no longer the seat of an evaporation, the temperature rises in the first evaporator. This temperature rise is accelerated by circulating the liquid refrigerant before expansion, in the exchanger of the first evaporator. The solid C0 2 heats up from - 78.5 ° C, which is the equilibrium temperature of the solid and gaseous phase at atmospheric pressure, to - 56.5 ° C and 5.2 bar which are the pressure / temperature of the triple point where the three solid, liquid and gaseous phases therefore coexist. The solid CO 2 melts, that is to say passes from the solid phase to the liquid phase. Similarly from -75.5 ° C and a lower pressure of 0.016 bar, the S0 2 melts before therefore the C0 2 and can be, if necessary, recovered in a privileged manner in the first moments of defrosting, by extraction ad hoc by partial vacuum. The pressure in this exchanger continues to rise with the rise in temperature.
Une fois le C02 (Resp. S02) entièrement en phase liquide, il est transféré par pompe dans un réservoir isolé thermiquement. La pompe est aussi apte à aspirer le gaz résiduel, notamment du C02 (Resp. S02) . Il est ainsi possible de ramener la pression à l'intérieur de l'évaporateur d' antisublimation de 5, 2 bar à une pression proche de la pression atmosphérique, afin que les fumées puissent à nouveau y pénétrer.Once the C0 2 (Resp. S0 2 ) is fully in the liquid phase, it is transferred by pump to a thermally insulated tank. The pump is also capable of sucking up residual gas, in particular C0 2 (Resp. S0 2 ). It is thus possible to reduce the pressure inside the anti-sublimation evaporator of 5.2 bar to a pressure close to atmospheric pressure, so that the fumes can again penetrate there.
Il est alors possible d'effectuer le cycle suivant et d'effectuer une anti-sublimation du C02 (Resp. S02) contenu dans les fumées froides sur les parois de l'évaporateur. Ce dernier est de nouveau alimenté en fluide frigorigène. Le cycle se poursuit, ainsi de suite, alternativement sur les deux évaporateurs basse température en parallèle.It is then possible to carry out the following cycle and to carry out an anti-sublimation of the C0 2 (Resp. S0 2 ) contained in the cold fumes on the walls of the evaporator. The latter is again supplied with refrigerant. The cycle continues, so on, alternately on the two low temperature evaporators in parallel.
Le procédé selon l' invention, qui met en œuvre une anti-sublimation, est avantageux par rapport au procédé qui consiste à passer de la phase gazeuse à la phase C02 liquide (Resp. S02 liquide) . En effet, pour passer directement de la phase gazeuse à la phase liquide il faut augmenter la pression des fumées, au moins jusqu'à 5, 2 bar et abaisser leur température jusqu'à - 56,5°C. En pratique ce procédé implique d'abaisser la température des fumées jusqu'à 0 °C pour éliminer l'eau puis de comprimer le mélange d'azote et de C02 jusqu'à au moins 6 bar. Lors de cette compression, le mélange d'azote et de C02 va se réchauffer jusqu'à 120 "C. Il va falloir de nouveau le refroidir de 120 °C jusqu'à - 56,5°C. Ce procédé implique en outre une compression en pure perte de l'azote jusqu'à 5,2 bar. Le dispositif frigorifique met en œuvre un principe de refroidissement, en soi connu, dit en cascade intégré. Le dispositif frigorifique selon l'invention présente toutefois des traits techniques spécifiques qui seront ci-après décrits. En effet pour refroidir les fumées, sur un écart de température important allant de la température ambiante à - 90 °C, au moyen d'un appareil frigorifique simple à réaliser, ne comprenant qu'un seul compresseur, le procédé selon l'invention met en œuvre un mélange de fluides frigorigènes . L' appareil frigorifique selon l'invention comprend un seul compresseur, deux évapo-condenseurs intermédiaires et les deux évaporateurs d' anti-sublimation basse température en parallèle précédemment décrits. Les évapo-condenseurs intermédiaires permettent à la fois la distillation du mélange de fluides frigorigènes et le refroidissement progressif du débit des fumées . Selon les conditions climatiques et la teneur en composants traces, la vapeur d'eau résiduelle contenue dans les fumées est condensée soit totalement, soit partiellement, dans 1' échangeur de refroidissement à air ou à eau ci-dessus décrit. Si ce n'est pas le cas, l'eau est condensée de manière complémentaire dans le premier échangeur de l'appareil frigorifique où la température est légèrement supérieure à 0 '°C et où le temps de séjour est suffisant pour permettre cette condensation.The process according to the invention, which uses anti-sublimation, is advantageous compared to the process which consists in passing from the gas phase to the liquid C0 2 phase (Resp. S0 2 liquid). In fact, to go directly from the gaseous phase to the liquid phase, it is necessary to increase the pressure of the flue gases, at least up to 5.2 bar and lower their temperature to - 56.5 ° C. In practice, this process involves lowering the temperature of the fumes to 0 ° C to remove the water and then compressing the mixture of nitrogen and C0 2 to at least 6 bar. During this compression, the mixture of nitrogen and C0 2 will heat up to 120 "C. It will have to be cooled again from 120 ° C to - 56.5 ° C. This process also involves compression in pure nitrogen loss up to 5.2 bar. The refrigeration device implements a cooling principle, known per se, known as integrated cascade. The refrigeration device according to the invention however has specific technical features which will be described below. Indeed to cool the flue gases, over a significant temperature difference ranging from ambient temperature to −90 ° C., by means of of a refrigeration device which is simple to produce, comprising only one compressor, the method according to the invention uses a mixture of refrigerants. The refrigeration apparatus according to the invention comprises a single compressor, two intermediate evapo-condensers and the two low temperature anti-sublimation evaporators in parallel previously described. Intermediate evapo-condensers allow both the distillation of the refrigerant mixture and the gradual cooling of the smoke flow. Depending on the climatic conditions and the content of trace components, the residual water vapor contained in the flue gases is condensed either totally or partially in one air or water cooling exchanger described above. If this is not the case, the water is condensed in a complementary manner in the first heat exchanger of the refrigeration unit where the temperature is slightly higher at 0 ° C and where the residence time is sufficient to permit this condensation.
Les mélanges de fluides frigorigènes permettant d'effectuer un cycle peuvent être des mélanges ternaire, quaternaire ou à cinq composants. Les mélanges décrits intègrent les contraintes du Protocole de Montréal qui interdit la production et, à terme, l'utilisation des gaz frigorigènes contenant du chlore. Ceci implique qu'aucun CFC (Chloro-fluoro- carbure), ni H-CFC (Hydro-Chloro-Fluoro-carbure) n'est retenu dans les composants utilisables, bien que plusieurs de ces fluides soient fonctionnellement tout à fait intéressants pour être utilisés comme fluides de travail dans une cascade intégrée. Le Protocole de Kyoto impose aussi des contraintes sur les gaz à fort Potentiel de Réchauffement Global (GWP Global Warming Potential) . Même s'ils ne sont pas interdits à l'heure actuelle, de préférence, selon l'invention, on utilise des fluides dont le GWP est le plus faible possible. Les mélanges utilisables dans la cascade intégrée selon l' invention, pour effectuer la capture du C02 (Resp. S02) dans les fumées, sont indiqués ci-dessous.The refrigerant mixtures used to carry out a cycle can be ternary, quaternary or five-component mixtures. The mixtures described integrate the constraints of the Montreal Protocol which prohibits the production and, ultimately, the use of refrigerant gases containing chlorine. This implies that no CFC (Chloro-fluorocarbon), nor H-CFC (Hydro-Chloro-Fluoro-carbide) is retained in the usable components, although several of these fluids are functionally quite interesting to be used as working fluids in an integrated cascade. The Kyoto Protocol also imposes constraints on gases with high Global Warming Potential (GWP). Even if they are not prohibited at present, preferably, according to the invention, fluids are used whose GWP is as low as possible. The mixtures which can be used in the integrated cascade according to the invention, for capture C0 2 (Resp. S0 2 ) in the flue gases, are indicated below.
° Les mélanges ternaires° Ternary mixtures
Les mélanges ternaires peuvent être des mélanges de Méthane/C02/R-152a, soit, en adoptant la nomenclature normaliséeThe ternary mixtures can be mixtures of Methane / C0 2 / R-152a, or, by adopting the standardized nomenclature
(ISO 817) des fluides frigorigène, des mélanges R-50/R-744/R-(ISO 817) refrigerants, R-50 / R-744 / R mixtures
152a. Il est possible de remplacer le R-152a par du butane R-600 ou de l' isobutane R-600a152a. It is possible to replace R-152a with butane R-600 or isobutane R-600a
* Les mélanges quaternaires Les mélanges quaternaires peuvent être des mélanges : de R-50/R-170/R-744/R-152a, ou de R-50/R-170/R-744/R-600, ou de R-50/R-170/R-744/R-600a.* The quaternary mixtures The quaternary mixtures can be mixtures: of R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, or of R-50 / R-170 / R-744 / R-600, or of R -50 / R-170 / R-744 / R-600a.
Le R-50 peut aussi être remplacé par le R-14 mais son GWP est très élevé (6500 kg équivalent C02) .The R-50 can also be replaced by the R-14 but its GWP is very high (6500 kg C0 2 equivalent).
• Les mélanges à cinq composants• Five-component mixtures
Les mélanges à 5 composants peuvent être réalisés en choisissant 5 de ces composants dans la liste des 8 fluides suivants : R-740, R-50, R-14, R-170, R-744, R-600, R-600a, R- 152a dans des proportions adéquates avec des températures critiques progressivement étagées, ces températures critiques étant présentées au tableau 2. On citera à titre d' exemples les mélanges suivants : de R-50/R-14/R-170/R-744/R-600, ou de R-740/R-14/R-170/R-744/R-600 ou de R-740/R-14/R-170/R-744/R-600a ou de R-740/R-14/R-170/R-744/R-152a ou de R-740/R-50/R-170/R-744/R-152a, le R-740 étant l'argon. Le tableau 2 donne les caractéristiques thermochimiques principales et les dénominations de ces fluides . Tableau 2Mixtures with 5 components can be made by choosing 5 of these components from the list of the following 8 fluids: R-740, R-50, R-14, R-170, R-744, R-600, R-600a, R-152a in adequate proportions with gradually staged critical temperatures, these critical temperatures being presented in Table 2. The following mixtures will be cited as examples: of R-50 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600, or R-740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600 or R-740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600a or R -740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-152a or of R-740 / R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, R-740 being argon. Table 2 gives the main thermochemical characteristics and the names of these fluids. Table 2
Les deux évapo-condenseurs intermédiaires et les évaporateurs d' anti sublimation composent les trois étages de température de la cascade intégrée. Ces trois étages fonctionnent tous à la même pression puisqu' ils sont tous raccordés à l'aspiration du compresseur, mais les températures moyennes dans ces trois étages sont typiquement de l' ordre de - 5°C, - 30°C et - 90°C puisqu'il faut un écart de température entre le débit de frigorigènes circulant dans l'autre tuyauterie de chacun des échangeurs. Les débits du mélange de fluide frigorigène dans les trois "étages" de la cascade intégrée dépendent de la proportion des composants dans les mélanges de fluides frigorigènes. Il existe donc un lien entre composition et niveaux de températures de la cascade.The two intermediate evapo-condensers and the anti-sublimation evaporators make up the three temperature stages of the integrated cascade. These three stages all operate at the same pressure since they are all connected to the compressor suction, but the average temperatures in these three stages are typically of the order of - 5 ° C, - 30 ° C and - 90 ° C since there is a temperature difference between the flow of refrigerants circulating in the other piping of each of the exchangers. The flow rates of the refrigerant mixture in the three "stages" of the integrated cascade depend on the proportion of the components in the refrigerant mixtures. There is therefore a link between composition and temperature levels of the waterfall.
Les données ci-après, fournies à titre d'exemple, concernent un appareil frigorifique à cascade intégrée mettant en œuvre un mélange de fluides frigorigènes à cinq composants dont la composition massique est la suivante : • R-50 1%The data below, provided by way of example, relates to a refrigeration appliance with integrated cascade using a mixture of five-component refrigerants with the following mass composition: • R-50 1%
R-14 3% R-170 19% R-744 27% R-600 50%. La proportion entre composants inflammables et non inflammables est telle que le mélange soit un mélange de sécurité non inflammable. La température critique de ce mélange est de 74,2°C et sa pression critique de 50 bar.R-14 3% R-170 19% R-744 27% R-600 50%. The proportion between flammable and non-flammable components is such that the mixture is a non-flammable safety mixture. The critical temperature of this mixture is 74.2 ° C and its critical pressure 50 bar.
Les proportions des composants dont la température critique est la plus élevée, ici le R-600 et le R-744, sont majoritaires dans le mélange car leur évaporation dans les deux étages intermédiaires permet d' effectuer la distillation des composants à basse température critique. Les composants à basse température critique peuvent alors s'évaporer à basse température dans l'évaporateur d' anti-sublimation qui est un évaporateur double, fonctionnant en alternance sur l'une ou l'autre de ses tuyauteries parallèles.The proportions of the components with the highest critical temperature, here R-600 and R-744, are predominant in the mixture because their evaporation in the two intermediate stages makes it possible to distill the components at low critical temperature. The components at low critical temperature can then evaporate at low temperature in the anti-sublimation evaporator which is a double evaporator, operating alternately on one or the other of its parallel pipes.
De préférence, les échangeurs dans la cascade sont des échangeurs à contre-courant. Ils permettent d'utiliser les très grands écarts de température entre les entrées et les sorties.Preferably, the exchangers in the cascade are counter-current exchangers. They allow the use of very large temperature differences between inputs and outputs.
Ils permettent aussi les récupérations thermiques entre phases liquide et vapeur à températures différentes.They also allow thermal recoveries between liquid and vapor phases at different temperatures.
Le débit de fumées anhydre, MN2+CO2+SO2 après passage sur l'évaporateur d' anti-sublimation est réduit au débit d'azote, N2, qui représente 0,719 du débit initial M. Ce débit d'azote, dont la température se situe à - 90 "C, circule à contre courant du tube des fumées pour participer au refroidissement du débit de fumées anhydre MN2+co2+so2/ puis du débit de fumées total M. La participation du débit d'azote sortant de l'évaporateur d'anti- sublimation au refroidissement des fumées intervient jusqu'à ce que la température de l'azote soit remontée au niveau de la température ambiante. La pression du débit d'azote MN2 est égale à 73% de la pression initiale du débit M, compte tenu des captures successives de la vapeur d'eau et des vapeurs de C02 (Resp. S02) . La surpression nécessaire à la circulation est réalisée par exemple par un compresseur d' air dont le débit injecté dans un venturi permet l'extraction du débit d'azote.The anhydrous smoke flow rate, MN 2 + CO2 + SO 2 after passing over the anti-sublimation evaporator is reduced to the nitrogen flow rate, N2 , which represents 0.719 of the initial flow rate M. This nitrogen flow rate, whose temperature is at - 90 "C, circulates against the current of the smoke tube to participate in the cooling of the anhydrous smoke flow M N2 + co 2+ so2 / then of the total smoke flow M. The participation of the nitrogen flow leaving the anti-sublimation evaporator on cooling the fumes occurs until the temperature of nitrogen has returned to ambient temperature. The pressure of the nitrogen flow M N2 is equal to 73% of the initial pressure of the flow M, taking into account the successive captures of the water vapor and the vapors of C0 2 (Resp. S0 2 ). The overpressure necessary for circulation is achieved for example by an air compressor whose flow injected into a venturi allows extraction of the nitrogen flow.
Une autre conception consiste à comprimer le débit total en sortie de l' échangeur de refroidissement à air afin de permettre une légère surpression par rapport à la pression atmosphérique tout le long du circuit de circulation des fumées et jusqu'à sa mise à l'air.Another design consists in compressing the total flow rate at the outlet of the air cooling exchanger in order to allow a slight overpressure with respect to atmospheric pressure all along the smoke circulation circuit and until it is vented. .
Description détaillée du procédé et du système selon 1' invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'une variante de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif et de la figure 3 qui représente une vue schématique d'une variante de réalisation d'un système permettant de capturer le dioxyde de carbone par antisublimation. Les valeurs numériques indiquées correspondent au dioxyde de carbone, elles sont transposables par l'ingénieur du métier dans le cas du dioxyde de soufre, ou dans le cas du dioxyde de soufre et du dioxyde de carbone. Chaque fois qu'il y a lieu d'effectuer une telle transposition la mention (Resp. S02) a été insérée.Detailed description of the method and system according to the invention. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description of an alternative embodiment of the invention, given by way of indicative and non-limiting example and of FIG. 3 which represents a schematic view of an alternative embodiment of a system for capturing carbon dioxide by antisublimation. The numerical values indicated correspond to carbon dioxide, they are transposable by the engineer of the trade in the case of sulfur dioxide, or in the case of sulfur dioxide and carbon dioxide. Whenever it is necessary to carry out such a transposition, the entry (Resp. S0 2 ) has been inserted.
On va maintenant décrire la figure 3. Les références numériques sont celles de la figure 3. Le tableau ci-après précise le système de références numériques employé. Il explicite le sens des termes techniques identiques portant des références numériques différentes.We will now describe FIG. 3. The numerical references are those of FIG. 3. The table below specifies the reference system used. It explains the meaning of identical technical terms bearing different reference numbers.
Les évolutions thermiques des fumées et leur composition chimique ont été suivies au fur et à mesure qu' elles circulent dans le circuit où elles sont refroidies.The thermal evolutions of the fumes and their chemical composition have been monitored as they circulate in the circuit where they are cooled.
Le débit M des fumées est la somme de quatre débits :The smoke flow M is the sum of four flows:
M = mH20 + m2 + mN2 + mtraces où mH2o désigne le débit de vapeur d'eau, où ιttco2 désigne le débit de gaz carbonique, où mN2 désigne le débit d'azote, où mtraces désigne le débit des gaz à l'état de trace y compris le S02 ou les hydrocarbures imbrûlés .M = m H20 + m 2 + m N2 + m tr aces where m H2 o denotes the flow of water vapor, where ιttco2 denotes the flow of carbon dioxide, where m N2 denotes the flow of nitrogen, where m t races means the flow of trace gases including S0 2 or unburnt hydrocarbons.
Les fumées sortent du moteur thermique 1 (du moteur à explosion) par la tuyauterie 2 (tuyauterie de sortie du moteur thermique) . Leur température est de 900 °C. L'énergie qui va être cédée par ces fumées dans l' échangeur 6 (premier échangeur de refroidissement des fumées) peut s'exprimer en fonction du débit des fumées M : Qech = M (hs6 - he6) où hS6, he6 désignent respectivement les enthalpies des fumées à la sortie et à l'entrée de l' échangeur 6.The fumes come out of the heat engine 1 (of the internal combustion engine) through the pipe 2 (outlet pipe of the heat engine). Their temperature is 900 ° C. The energy which will be transferred by these fumes in exchanger 6 (first fume cooling exchanger) can be expressed as a function of the fume flow rate M: Q ech = M (h s6 - he 6 ) where h S6 , h e6 designate respectively the enthalpies of the fumes at the outlet and at the inlet of the exchanger 6.
Les compositions massiques des fumées à la sortie du moteur thermique 1 sont respectivement égales à : • C02: 19,5 %,The mass compositions of the fumes at the outlet of the heat engine 1 are respectively equal to: • C0 2 : 19.5%,
• H20 : 8,6 %,• H 2 0: 8.6%,
• N2 : 71,9 %,• N 2 : 71.9%,
Dans la présente description les gaz en trace comme le S02 ont été négligés compte tenu de leur impact négligeable du point de vue énergétique.In the present description, trace gases such as S0 2 have been neglected given their negligible impact from an energy point of view.
L'énergie QeCh cédée par les fumées dans l' échangeur 6 est environ égale à 1000 kJ/ kg. La température des fumées à la sortie de l' échangeur 6 est de 50 °C. Il est possible d'exprimer la puissance PeCh cédée (exprimée en kW) en fonction du débit des fumées M exprimé en kg/s : Pech = Qech xM = 1000 kύ7 kg x M kg/s = 1000 M en kW. L' énergie thermique cédée par les fumées dans l' échangeur 6 est transformée de manière connue en soi en énergie mécanique, puis en énergie électrique. Les fumées cèdent leur énergie à l'eau circulant dans l' échangeur 6. Cette eau est successivement réchauffée en phase liquide de 42 °C à 310° C, puis portée à l' ébullition à la pression de saturation à 310 °C, soit à 99 bar, ou 340°C et 145 bar, deuxième variante de réalisation de l' échangeur 6, et enfin cette eau est surchauffée jusqu'à 400°C, ou 500°C, deuxième variante de réalisation de 1' échangeur 6. La vapeur surchauffée est détendue dans une turbine 7 qui entraîne dans la variante décrite un alternateur 10. Les vapeurs détendues, partiellement diphasiques après cette détente, sont condensées dans un condenseur 8, condenseur à air. Le liquide ainsi formé est comprimé par une pompe 9 à la pression de 99 bar, 145 bar, dans le cas de la deuxième variante de réalisation. De manière optionnelle, de l'énergie thermique, non comptabilisée dans les bilans énergétiques décrits, peut être récupérée du circuit de refroidissement 3 du moteur thermique 1. A cet effet, l' échangeur de récupération 5 de l'énergie du circuit de refroidissement 3 du moteur thermique 1 comprend un circuit de récupération 4. Les raccordements entre le circuit de récupération 4 et le circuit de refroidissement 3 du moteur thermique 1 ne sont pas représentés. En été la température de condensation est de 40 °C dans le condenseur à air 8. La température de condensation peut varier typiquement de 10 °C à 65 °C, entre l'hiver et l'été dans les pays les plus chauds. L'énergie récupérable dans le cas d'une température de condensation de la vapeur égale à 10 °C est supérieure à celle récupérée dans le cas d'une température de condensation égale à 65 °C.The energy Q eCh given off by the fumes in the exchanger 6 is approximately equal to 1000 kJ / kg. The temperature of the fumes at the outlet of the exchanger 6 is 50 ° C. It is possible to express the yielded P eCh power (expressed in kW) as a function of the smoke flow M expressed in kg / s: Pech = Qe c h xM = 1000 kύ7 kg x M kg / s = 1000 M in kW. The thermal energy given off by the fumes in the exchanger 6 is transformed in a manner known per se into mechanical energy, then into electrical energy. The fumes yield their energy to the water circulating in the exchanger 6. This water is successively reheated in the liquid phase from 42 ° C to 310 ° C, then brought to the boil at saturation pressure at 310 ° C, ie at 99 bar, or 340 ° C and 145 bar, second variant of the exchanger 6, and finally this water is superheated to 400 ° C, or 500 ° C, second variant of the exchanger 6. The superheated steam is expanded in a turbine 7 which, in the variant described, drives an alternator 10. The expanded vapors, partially two-phase after this expansion, are condensed in a condenser 8, air condenser. The liquid thus formed is compressed by a pump 9 at a pressure of 99 bar, 145 bar, in the case of the second variant. Optionally, thermal energy, not counted in the energy balances described, can be recovered from the cooling circuit 3 of the heat engine 1. For this purpose, the heat exchanger 5 recovering the energy from the cooling circuit 3 of the heat engine 1 comprises a recovery circuit 4. The connections between the recovery circuit 4 and the cooling circuit 3 of the heat engine 1 are not shown. In summer the condensing temperature is 40 ° C in the air condenser 8. The condensing temperature can typically vary from 10 ° C to 65 ° C, between winter and summer in the hottest countries. The energy recoverable in the case of a condensation temperature of the steam equal to 10 ° C is higher than that recovered in the case of a condensation temperature equal to 65 ° C.
Les tableaux 3 et 4 mentionnent, dans le cas de chaque variante de réalisation, les enthalpies de l'eau liquide ou et de l'eau vapeur : ° à l'entrée et à la sortie de l' échangeur 6, ° à la sortie de la turbine 7 „ etTables 3 and 4 mention, in the case of each variant embodiment, the enthalpies of liquid water and and of steam water: ° at the inlet and at the outlet of the exchanger 6, ° at the outlet of the turbine 7 „and
° à la sortie du condenseur à air 8.° at the outlet of the air condenser 8.
Ces quatre valeurs d' enthalpie sont représentatives du rendement énergétique du circuit de récupération d'énergie. L' échangeur 6, la turbine 7, le condenseur 8 et la pompe 9 sont reliés par des tuyauteries et constituent le circuit de récupération d' énergie thermique des fumées . L' énergie thermique ainsi récupérée est transformée en énergie mécanique.These four enthalpy values are representative of the energy efficiency of the energy recovery circuit. The exchanger 6, the turbine 7, the condenser 8 and the pump 9 are connected by pipes and constitute the circuit for recovering thermal energy from the flue gases. The thermal energy thus recovered is transformed into mechanical energy.
Un alternateur 10 couplé à la turbine 7 permet de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique.An alternator 10 coupled to the turbine 7 transforms mechanical energy into electrical energy.
Tableau 3Table 3
Les fumées circulent dans l' échangeur 6 à contre courant du débit d'eau. La température des fumées varie de 900°C à 50°C tandis que la température de l'eau varie de 40CC jusqu'à 400°C dans la première variante et jusqu'à 500°C dans la deuxième variante. Dans le cas de la première variante, la vaporisation a lieu à 310°C, sous une pression de 99 bar. Dans le cas de la deuxième, la vaporisation a lieu à 340°C, sous une pression de 145 bar. L' échangeur 6 est donc à la fois un réchauffeur d' eau et un bouilleur. Dans le cas de la première variante, lorsque la température à la sortie de l' échangeur 6 est égale 400°C, lorsque la pression à l'entrée de l' échangeur 6 est égale à 99 bar et lorsque la température de condensation est égale à 40 °C, le tableau n° 3 permet de déterminer l'énergie mécanique, exprimée par débit masse unitaire de l'eau dans le circuit de l' échangeur 6. Pour un rendement mécanique de la turbine 7 de 0,85, l'énergie mécanique est égale à : The fumes circulate in the exchanger 6 against the flow of water. The temperature of the fumes varies from 900 ° C to 50 ° C while the water temperature varies from 40 C C to 400 ° C in the first variant and up to 500 ° C in the second variant. In the case of the first variant, the vaporization takes place at 310 ° C, under a pressure of 99 bar. In the second case, the vaporization takes place at 340 ° C, under a pressure of 145 bar. The exchanger 6 is therefore both a water heater and a boiler. In the case of the first variant, when the temperature at the outlet of the exchanger 6 is equal to 400 ° C., when the pressure at the inlet of the exchanger 6 is equal to 99 bar and when the condensation temperature is equal at 40 ° C, table n ° 3 makes it possible to determine the mechanical energy, expressed by unit mass flow of water in the circuit of the exchanger 6. For a mechanical efficiency of the turbine 7 of 0.85, l mechanical energy is equal to:
(3098,2 - 1935,9) x 0,85 = 988 kJ/kg(3098.2 - 1935.9) x 0.85 = 988 kJ / kg
Dans le cas de la deuxième variante, lorsque la température à la sortie de l' échangeur 6 est égale 500 °C, lorsque la pression à l'entrée de l' échangeur 6 est égale à 145 bar et lorsque la température de condensation est égale à 40 °C, le tableau n° 4 permet de déterminer l'énergie mécanique, exprimée par débit masse unitaire de l'eau dans le circuit de l' échangeur 6. Pour un rendement mécanique de la turbine 7 de 0,85, l'énergie mécanique est égale à :In the case of the second variant, when the temperature at the outlet of the exchanger 6 is equal to 500 ° C., when the pressure at the inlet of the exchanger 6 is equal to 145 bar and when the condensation temperature is equal at 40 ° C, table n ° 4 makes it possible to determine the mechanical energy, expressed by unit mass flow of water in the circuit of the exchanger 6. For a mechanical efficiency of the turbine 7 of 0.85, l mechanical energy is equal to:
(3314,8 - 1982,1) x 0,85 = 1132,8 kJ/kg. Dans le cas de la première variante, l'énergie fournie par le circuit des fumées à l' échangeur 6 est égale à : Qech = 3098,2 - 177,4 = 2920,8 kJ/kg.(3314.8 - 1982.1) x 0.85 = 1132.8 kJ / kg. In the case of the first variant, the energy supplied by the smoke circuit to the exchanger 6 is equal to: Q ech = 3098.2 - 177.4 = 2920.8 kJ / kg.
Dans le cas de la deuxième variante, l'énergie fournie par le circuit des fumées à l' échangeur 6 est égale à : Qech = 3314,8 - 182 = 3132,8 kJ/kg Il a été précédemment exposé que la puissance thermique PeC cédée par les fumées dans l' échangeur 6, en fonction du débit des fumées, est égale à :In the case of the second variant, the energy supplied by the smoke circuit to the exchanger 6 is equal to: Qech = 3314.8 - 182 = 3132.8 kJ / kg It was previously stated that the thermal power P eC given off by the fumes in the exchanger 6, as a function of the flow rate of the fumes, is equal to:
Pech = 1000 M, exprimé en kW. La puissance mécanique extraite s'exprime en fonction du débit de fumée à partir du rendement du cycle de la turbine :Pec h = 1000 M, expressed in kW. The mechanical power extracted is expressed as a function of the smoke flow from the efficiency of the turbine cycle:
L'énergie mécanique extraite, référée à ce débit M, revient à exprimer le rendement du cycle de la turbine en fonction de ce débit des fumées soit : dans le cas 1 : Pméca = (988 / 2920,8) x 1000 x M =The mechanical energy extracted, referred to this flow M, amounts to expressing the efficiency of the turbine cycle as a function of this smoke flow, that is: in case 1: P mecha = (988 / 2920.8) x 1000 x M =
338,3 M en kW dans le cas 2 : PméCa = (1132,8 / 3132,8) x 1000 x M = 361,6 M en kW338.3 M in kW in case 2: P méC a = (1132.8 / 3132.8) x 1000 x M = 361.6 M in kW
Dans le cas de la première et de la deuxième variante de réalisation, l'alternateur 10 a un rendement de 0,9. La puissance électrique Péiec obtenue grâce au circuit de récupération d'énergie thermique des fumées, est : dans le cas de la première variante de réalisation égal à : Péιec = 304,5 M en kW dans le cas de la deuxième variante de réalisation égal à : Péiec = 325,4 M en kW.In the case of the first and second variant embodiments, the alternator 10 has an efficiency of 0.9. The electrical power P é iec obtained thanks to the circuit for recovering thermal energy from the fumes, is: in the case of the first alternative embodiment equal to: P é ι ec = 304.5 M in kW in the case of the second variant of construction equal to: Péi ec = 325.4 M in kW.
Il est donc possible de récupérer entre 30,5 et 32,5 % d'énergie électrique à partir des fumées, dès que leur température se situe au-dessus de 400 °C. On va maintenant décrire les phases de refroidissement successif des fumées dans les différents échangeurs. Le refroidissement est un pur refroidissement pour l'azote, un refroidissement et une condensation pour l'eau, un refroidissement et une anti-sublimation pour le C02 (Resp. S02) . Pour comprendre où sont extraits l'eau liquide et le C02 solideIt is therefore possible to recover between 30.5 and 32.5% of electrical energy from the fumes, as soon as their temperature is above 400 ° C. We will now describe the successive cooling phases of the fumes in the various exchangers. Cooling is pure cooling for nitrogen, cooling and condensation for water, cooling and anti-sublimation for C0 2 (Resp. S0 2 ). To understand where liquid water and solid C0 2 are extracted
(Resp. S02 solide) , puis liquide, il faut suivre à la fois les variations des débits masses de ces trois composants et les variations d'énergie le long du circuit de refroidissement des fumées, c'est-à-dire le long de la tuyauterie 13. Les variations d'énergie sont exprimées pour chacun des composants en kJ/kg et sont des grandeurs additives, de même que les fractions massiques. Les enthalpies de l'azote sont reportées dans le tableau 6., les enthalpies du C02 (Resp. S02) sont reportées dans le tableau 5 et sur la figure 2 qui représente, de manière connue en soi, un diagramme température-entropie du C02 (Resp. S02) . Sur ce diagramme, les températures sont exprimées en Kelvin Θ les entropies sont exprimées en kJ/kg.K. Le point A est un point représentatif du C02 à l'entrée du premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25. La pression est de 1 bar, la température est de 50 °C (323 K) , l' enthalpie du C02 (Resp. S02) est de 450,8 kJ / kg (voir tableau 5).(Resp. S0 2 solid), then liquid, it is necessary to follow both the variations of the mass flow rates of these three components and the variations of energy along the smoke cooling circuit, that is to say along of the piping 13. The energy variations are expressed for each of the components in kJ / kg and are additive quantities, as are mass fractions. The enthalpies of nitrogen are reported in Table 6., the enthalpies of C0 2 (Resp. S0 2 ) are reported in Table 5 and in Figure 2 which represents, in a manner known per se, a temperature-entropy diagram C0 2 (Resp. S0 2 ). On this diagram, the temperatures are expressed in Kelvin Θ the entropies are expressed in kJ / kg.K. Point A is a representative point of C0 2 at the inlet of the first (n ° 1) cooler evaporator 25. The pressure is 1 bar, the temperature is 50 ° C (323 K), the enthalpy of C0 2 (Resp. S0 2 ) is 450.8 kJ / kg (see table 5).
Le point B est un point représentatif de l'état du C02 (Resp. S02) à la sortie de l' échangeur 11, la température est de 40 °C, l' enthalpie est reportée au tableau 5.Point B is a point representative of the state of C0 2 (Resp. S0 2 ) at the outlet of the exchanger 11, the temperature is 40 ° C, the enthalpy is shown in Table 5.
Le point C est un point représentatif du C02 (Resp.Point C is a representative point of C0 2 (Resp.
S02) à l'entée de l'évaporateur (n° 1) d' anti-sublimâtion 39, avant le changement de phase gaz/solide. La pression est deS0 2 ) at the inlet of the anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39, before the gas / solid phase change. The pressure is
0,85 bar et la température est de - 72 °C (201 K) , l' enthalpie est de 349 kJ / kg (voir tableau 5) .0.85 bar and the temperature is - 72 ° C (201 K), the enthalpy is 349 kJ / kg (see table 5).
Le point D est un point représentatif du C02 (Resp. S02) sur la courbe de solidification complète du C02 (Resp. S02) à - 80°C. La solidification s'opère sur la paroi du tube de l'évaporateur (n°l) d' anti-sublimation 39. Le changement de phase complet gaz/solide a demandé une énergie de refroidissement de 568 kJ/kg.Point D is a representative point of C0 2 (Resp. S0 2 ) on the complete solidification curve of C0 2 (Resp. S0 2 ) at - 80 ° C. Solidification takes place on the wall of the anti-sublimation 39 evaporator tube (no. 1). The complete gas / solid phase change required a cooling energy of 568 kJ / kg.
Le point E est un point représentatif du C02 (Resp. S02) , lors de l'opération de dégivrage par sublimation du C02 solide (Resp. S02 solide) dans l'enceinte de l'évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40. Cette opération entraîne la remontée de la pression par sublimation partielle du C02 solide (Resp. S02 solide) ce qui accroît la pression de vapeur jusqu'à 5,2 bar.Point E is a representative point of C0 2 (Resp. S0 2 ), during the defrosting operation by sublimation of solid C0 2 (Resp. S0 2 solid) in the evaporator enclosure (n ° 2) anti-sublimation 40. This operation causes the pressure to rise by partial sublimation of solid C0 2 (Resp. S0 2 solid), which increases the vapor pressure up to 5.2 bar.
Le point F est un point représentatif du C02 (Resp. S02 solide, en fin de fusion du C02 (Resp. S02 solide) , à pression constante 5,2 bar. Le C02 (Resp. S02 liquide) est donc entièrement liquide au point F.Point F is a representative point of C0 2 (Resp. S0 2 solid, at the end of fusion of C0 2 (Resp. S0 2 solid), at pressure constant 5.2 bar. The C0 2 (Resp. S0 2 liquid) is therefore entirely liquid at point F.
Tableau 5Table 5
Les bilans énergétiques utilisant les valeurs du tableau 5 sont décrits ci-après.The energy balances using the values in Table 5 are described below.
On va maintenant poursuivre la description de l'évolution du débit des fumées en entrée de l' échangeur de refroidissement des fumées 11 et expliciter le mécanisme de capture de la vapeur d'eau ainsi que la consommation d'énergie qui y est associée.We will now continue the description of the evolution of the smoke flow at the inlet of the smoke cooling exchanger 11 and explain the mechanism for capturing water vapor as well as the energy consumption associated therewith.
Le tableau 6 donne les variations de températures, d' enthalpies et de fractions massiques aux entrées sorties des échangeurs et des tronçons de tuyauterie les reliant. De même que la variation du débit en fonction des captures successives des vapeurs d'eau, puis de C02 (Resp. S02) , en indiquant la quantité d'énergie extraite de chaque échangeur. La tuyauterie 13 des fumées et la tuyauterie 55 de remise à l'air de l'azote sont disposées en contact étroit et sont isolées thermiquement de l'extérieur. Les tronçons des tuyauteries 13 et 55 situés entre les éléments 11, 25, 33, 39 et 40 constituent des échangeurs successifs. Table 6 gives the variations in temperature, enthalpy and mass fractions at the inputs and outputs of the exchangers and the sections of piping connecting them. As well as the variation of the flow according to the successive captures of the water vapors, then of C0 2 (Resp. S0 2 ), by indicating the quantity of energy extracted from each exchanger. The pipe 13 of the flue gases and the pipe 55 for the release of nitrogen to the air are arranged in close contact and are thermally insulated from the outside. The sections of the pipes 13 and 55 located between the elements 11, 25, 33, 39 and 40 constitute successive exchangers.
Le refroidissement des fumées dans l' échangeur 11 de 50 à 40 °C avec condensation partielle de l'eau nécessite une puissance de 109 M (kW) , dans l'exemple traité l'eau commence à se condenser dans cet échangeur de refroidissement des fumées 11. Pour d' autres conditions de température ou due à la présence de composés traces qui modifient la température de rosée de l'eau, la condensation de l'eau peut commencer dans l'échangeur 6. En effet, la température du point de rosée d'eau se situe vers 50 °C pour une concentration massique d'eau dans les fumées de 8,6 %. Le débit des fumées, en sortie de l' échangeur 11 est égale à 0,964 M. La fraction massique d'eau est passée de 8,6 % à 5 %. L' échangeur 11 est conçu pour permettre une évacuation des condensats d'eau par la tuyauterie 14. La tuyauterie 14 relie l' échangeur 11 au réservoir collecteur d'eau 16.The cooling of the fumes in the exchanger 11 from 50 to 40 ° C with partial condensation of the water requires a power of 109 M (kW), in the example treated the water begins to condense in this exchanger for cooling the fumes 11. For other temperature conditions or due to the presence of trace compounds which modify the dew temperature of water, the condensation of water can start in the exchanger 6. In fact, the point temperature dew of water is around 50 ° C for a mass concentration of water in the smoke of 8.6%. The smoke flow rate at the outlet of the exchanger 11 is equal to 0.964 M. The mass fraction of water increased from 8.6% to 5%. The exchanger 11 is designed to allow evacuation water condensate through the pipe 14. The pipe 14 connects the exchanger 11 to the water collection tank 16.
Les fumées dans la tuyauterie 13 sont refroidies par la tuyauterie 55 de la sortie de l' échangeur 11 jusqu'à l'entrée de l' échangeur 25. Ces tronçons de tuyauteries sont en outre isolés thermiquement de l'extérieur.The fumes in the pipe 13 are cooled by the pipe 55 from the outlet of the exchanger 11 to the inlet of the exchanger 25. These pipe sections are also thermally insulated from the outside.
Précisons le mode d'échange entre les 2 tuyauteries 13 et 55, elles sont en contacts thermiquement efficaces, pour chaque tronçon de liaison que constitue la tuyauterie 13 entre les échangeurs 11, 25, 33 et 39 ou 40. Ces 3 tronçons constituent de véritables échangeurs où la froideur du débit d' azote dans la tuyauterie 55 refroidit le débit de fumées qui circulent à contre-courant dans la tuyauterie 13. Le tableau 6 indique la variation d' enthalpie du débit d' azote dans la tuyauterie 55 pour chacun des 3 tronçons entre les échangeurs 39 ou 40 et l' échangeur 33, puis entre l' échangeur 33 et 1' échangeur 25 et enfin entre l' échangeur 25 et l' échangeur 11. La variation d' enthalpie du débit d'azote de 0,719M (kg/s) est transmis avec une efficacité d' échange de 90% au débit des fumées circulant dans la tuyauterie 13 sur chacun des 3 tronçons d' échangeurs précités . L' énergie cédée par le débit d' azote entre les échangeurs 11 et 25 est de 26,3 M (kW) . Elle sert à la fois à condenser une partie de la vapeur d'eau qui est réduite à 4,2 % et à refroidir le débit des fumées jusqu'à 36,5°C à l'entrée de l' échangeur 25.Let us specify the mode of exchange between the 2 pipes 13 and 55, they are in thermally efficient contact, for each connecting section that constitutes the pipe 13 between the exchangers 11, 25, 33 and 39 or 40. These 3 sections constitute real exchangers where the coldness of the nitrogen flow in the piping 55 cools the flow of fumes flowing against the current in the piping 13. Table 6 shows the variation in enthalpy of the nitrogen flow in the piping 55 for each of the 3 sections between heat exchangers 39 or 40 and heat exchanger 33, then between heat exchanger 33 and heat exchanger 25 and finally between heat exchanger 25 and heat exchanger 11. The change in enthalpy of the nitrogen flow of 0.719 M (kg / s) is transmitted with an exchange efficiency of 90% at the flow rate of the fumes flowing in the pipe 13 on each of the 3 sections of the above-mentioned exchangers. The energy transferred by the nitrogen flow between the exchangers 11 and 25 is 26.3 M (kW). It is used both to condense part of the water vapor which is reduced to 4.2% and to cool the flow of flue gases to 36.5 ° C at the inlet of the exchanger 25.
A la sortie de l' échangeur 25, le débit des fumées est à une température de 1 °C ce qui nécessite une puissance frigorifique de 138 M (kW) dans l'échangeur 25 pour permettre un tel abaissement de la température des fumées et la condensation de la vapeur d'eau restante.At the outlet of the exchanger 25, the smoke flow is at a temperature of 1 ° C. which requires a cooling power of 138 M (kW) in the exchanger 25 to allow such a lowering of the temperature of the fumes and the condensation of the remaining water vapor.
La température des fumées est régulée à 1 °C pour éviter le givre de l'eau contenue dans les fumées. La section et la conception du premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25 permettent d'assurer une déshumidification poussée du débit de fumées. Typiquement, il reste moins de 0,05 % d'eau en masse dans les fumées à la sortie du premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25.The temperature of the fumes is regulated at 1 ° C to avoid frosting of the water contained in the fumes. The section and the design of the first (n ° 1) evaporator cooler 25 ensure a thorough dehumidification of the smoke flow. Typically, less than 0.05% water by mass remains in the fumes at the outlet of the first (n ° 1) cooler evaporator 25.
La tuyauterie de fumée 13 est en communication avec la chambre interne du premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25. L'eau extraite des fumées lors de son passage dans le premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25 est récupérée dans la chambre interne. Elle est ensuite transférée au réservoir collecteur d'eau 16 par la tuyauterie 15 d'évacuation d'eau du premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25. Les fumées sortant du premier (n° 1) évaporateur refroidisseur 25 passent dans un déshydrateur 56 qui assure l'assèchement complet des fumées. Le débit massique anhydre des fumées, noté MN2+co2+so2f est égal à 0,914 du débit M sortant du moteur thermique 1. En effet, 8,6% du débit masse ont été capturés sous forme d' eau liquide dans l'échangeur de refroidissement des fumées 11, dans l'échangeur constitué par les tronçons des tuyauteries 13 et 55 en contact, dans le premier (n°l) évaporateur refroidisseur 25 et dans le déshydrateur 56.The smoke pipe 13 is in communication with the internal chamber of the first (n ° 1) cooler evaporator 25. The water extracted from the fumes during its passage in the first (n ° 1) cooler evaporator 25 is recovered in the internal room . It is then transferred to the water collecting tank 16 via the water evacuation pipe 15 from the first (n ° 1) cooler evaporator 25. The fumes leaving the first (n ° 1) cooler evaporator 25 pass through a dehydrator 56 which ensures the complete drying of the fumes. The anhydrous mass flow rate of the fumes, denoted M N 2 + co2 + so2f is equal to 0.914 of the flow rate M leaving the heat engine 1. In fact, 8.6% of the mass flow rate was captured in the form of liquid water in the smoke cooling exchanger 11, in the exchanger constituted by the sections of the pipes 13 and 55 in contact, in the first (no. 1) evaporator cooler 25 and in the dehydrator 56.
Le débit d' azote circulant dans la tuyauterie 55 fournit une puissance frigorifique de 14 M (kW) au tronçon de tuyauterie 13 qui relie l'échangeur 25 à 33 et refroidit le débit résiduel des fumées MN2+Co2+so2 d'azote et de C02 (Resp. S02) jusqu'à une température de -14°C à l'entrée de l'échangeur 33.The nitrogen flow circulating in the pipe 55 provides a cooling power of 14 M (kW) to the pipe section 13 which connects the exchanger 25 to 33 and cools the residual smoke flow M N2 + C o 2+ so 2 d 'nitrogen and C0 2 (Resp. S0 2 ) down to a temperature of -14 ° C at the inlet of exchanger 33.
Dans le second (n° 2) évaporateur-refroidisseur 33, une puissance frigorifique de 5,4 M est fournie et le débit résiduel MN2+Co2+so2 d'azote et de C02 (Resp. S02) est refroidi jusqu'à une température de -20 °C.In the second (n ° 2) evaporator-cooler 33, a cooling capacity of 5.4 M is supplied and the residual flow M N2 + C o2 + so2 of nitrogen and C0 2 (Resp. S0 2 ) is cooled to 'at a temperature of -20 ° C.
Compte tenu du refroidissement entre les tuyauteries 13 et 55, le débit résiduel MN2+œ2+so2 pénètre dans l'un des deux évaporateurs d' anti-sublimation (n°l) 39 ou (n° 2) 40 à une température de l'ordre de - 72 °C car la tuyauterie 55 a fourni une puissance frigorifique de 47 M (kW) .Taking into account the cooling between pipes 13 and 55, the residual flow M N2 + œ2 + so 2 enters one of the two anti-sublimation evaporators (n ° l) 39 or (n ° 2) 40 at a temperature of - 72 ° C because the piping 55 provided a cooling power of 47 M (kW).
La forme et la conception des deux évaporateurs d' anti-sublimation (n°l) 39 ou (n° 2) 40 permettent un temps de séjour long des gaz. Le débit résiduel de fumées MN2+co2+so2 est refroidi jusqu'à anti-sublimation du C02 (Resp. S02) ce qui demande une puissance frigorifique de 125,9 M (en kW) . Le C02 (Resp. S02) est ainsi capturé par anti-sublimation à une température de l'ordre de - 80 °C à la pression de 0,85 bar absolu ou de - 78,6 °C à la pression d'un bar dans l'évaporateur d' anti-sublimation 39 ou 40 tandis que le débit d'azote résiduel noté MN2 est refroidi jusqu'à - 90 °C, puis est acheminé vers l'atmosphère à travers la tuyauterie 55 qui échange en contre courant avec la tuyauterie 13. On détaille l'évolution énergétique du C02 (Resp. S02) dans l'évaporateur d' anti-sublimation (n° 1) 39 où il rentre à une température d'environ - 72 °C et une enthalpie de 349 kJ/kgThe shape and design of the two anti-sublimation evaporators (n ° l) 39 or (n ° 2) 40 allow a long residence time of the gases. The residual smoke flow M N2 + co2 + so2 is cooled to anti-sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) which requires a cooling capacity of 125.9 M (in kW). The C0 2 (Resp. S0 2 ) is thus captured by anti-sublimation at a temperature of the order of - 80 ° C at the pressure of 0.85 bar absolute or - 78.6 ° C at the pressure of a bar in the anti-sublimation evaporator 39 or 40 while the residual nitrogen flow denoted M N2 is cooled down to -90 ° C., then is conveyed to the atmosphere through the pipe 55 which exchanges in against current with piping 13. We detail the energy evolution of C0 2 (Resp. S0 2 ) in the anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39 where it returns at a temperature of around - 72 ° C and an enthalpy of 349 kJ / kg
(point C tableau 5 et figure 2) . Le changement de phase vapeur - solide complet (anti-sublimation) s'effectue sur le tube de l'évaporateur d' anti-sublimation (n° 1) 39, le C02 (Resp. S02) évolue jusqu'au point D (tableau 5 et figure 2), son enthalpie est de - 228 kJ/kg.(point C table 5 and figure 2). The change of vapor phase - complete solid (anti-sublimation) takes place on the tube of the anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39, the C0 2 (Resp. S0 2 ) progresses to point D (Table 5 and Figure 2), its enthalpy is - 228 kJ / kg.
La puissance frigorifique, exprimée en kW, en fonction du débit des fumées, est de (349 - (-228)) x 0,195 M = 112,5 MThe cooling capacity, expressed in kW, as a function of the smoke flow rate, is (349 - (-228)) x 0.195 M = 112.5 M
Avant détente dans le détendeur (n° 1) 41, le fluide frigorigène passe dans l'évaporateur d' anti-sublimation (n° 2) 40 qui est en phase de dégivrage. Le fluide frigorigène récupère ainsi l'énergie de fusion du C02. L'énergie récupérable correspond, sur le diagramme de la figure 2, au passage du point D (C02 solide à 0,85 bar) (Resp. S02) au point F (C02 liquide à 5,2 bar) (Resp. S02) . La variation d' enthalpie brute est de 228 kJ/kg. Dans le cas de la variante de réalisation décrite, l'efficacité de transfert des échangeurs est de 90 %. Par conséquent, l'énergie récupérée est égale à 205 kJ/kg. La puissance frigorifique récupérée en fonction du débit total M de fumées est de 40 M, exprimé en kW : 205 x 0,195 M = 40 M. En tenant compte de la récupération d' énergie du dégivrage du C02 (Resp. S02) par le fluide frigorigène liquide, 1' anti-sublimation du C02 (Resp. S02) à une température d' évaporation de - 90 °C (il faut un écart d'environ 10 °C entre le fluide frigorigène et le C02 vapeur ou solide pour givrer le CO2) (Resp. SO2) ne nécessite qu'une puissance frigorifique de : (112,5-40) M = 72,5 M (exprimée en kW)Before expansion in the expansion valve (n ° 1) 41, the refrigerant passes through the anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40 which is in the defrosting phase. The refrigerant thus recovers the fusion energy of C0 2 . The recoverable energy corresponds, on the diagram in Figure 2, to the passage from point D (solid C0 2 at 0.85 bar) (Resp. S0 2 ) to point F (liquid C0 2 at 5.2 bar) (Resp S0 2 ). The change in gross enthalpy is 228 kJ / kg. In the case of the variant embodiment described, the transfer efficiency of the exchangers is 90%. Consequently, the energy recovered is equal to 205 kJ / kg. The cooling capacity recovered as a function of the total flow M of smoke is 40 M, expressed in kW: 205 x 0.195 M = 40 M. Taking into account the energy recovery from defrosting C0 2 (Resp. S0 2 ) by the liquid refrigerant, 1 anti-sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) at an evaporation temperature of - 90 ° C (it takes a difference of about 10 ° C between the refrigerant and the C0 2 vapor or solid to frost the CO 2 ) (Resp. SO 2 ) requires only a cooling capacity of: (112.5-40) M = 72.5 M (expressed in kW)
On a vu que les puissances électriques (exprimées en kW) que l'on peut récupérer dans le cas des deux variantes de réalisation précédemment décrites sont respectivement égales à 304,5 M et 325,4 M. Elles sont supérieures à la puissance électrique de compression que doit fournir le compresseur pour produire la puissance frigorifique. En effet, exprimée en kW en fonction du débit de fumée M, la puissance électrique de compression est de l'ordre de 187 M.We have seen that the electrical powers (expressed in kW) that can be recovered in the case of the two embodiments described above are respectively equal to 304.5 M and 325.4 M. They are greater than the electrical power of compression that the compressor must provide to produce the cooling capacity. Indeed, expressed in kW as a function of the smoke flow M, the electrical compression power is of the order of 187 M.
On peut valider ce bilan énergétique en procédant à une estimation théorique de la puissance électrique de compression que doit fournir la compresseur pour produire la puissance frigorifique. Pour procéder à cette estimation il faut préalablement rappeler ce que l'on entend par coefficient de performance d'une machine frigorifique. Le coefficient de performance est le rapport de la puissance frigorifique Pfrιg à la puissance électrique fournie par le moto-compresseurThis energy balance can be validated by making a theoretical estimate of the electrical compression power that the compressor must provide to produce the cooling power. To make this estimate, it is necessary to recall beforehand what is meant by coefficient of performance of a refrigerating machine. The coefficient of performance is the ratio of the cooling power P fr ι g to the electric power supplied by the motor-compressor
-telec._Comp - • OJr — frig / Pelec._Comp--telec._Comp - • OJr - frig / Pelec._Comp-
Compte tenu du fait que des puissances frigorifiques vont être échangées à différents niveaux de température : -Taking into account that cooling capacities will be exchanged at different temperature levels: -
5° C, - 30 °C, - 90 °C, il est indispensable d'utiliser une loi typique de variation du coefficient de performance en fonction de la température.5 ° C, - 30 ° C, - 90 ° C, it is essential to use a typical law of variation of the coefficient of performance according to the temperature.
La manière la plus simple d'exprimer cette loi est de l'exprimer en fonction du coefficient de performance de Carnot. Le coefficient de performance de Carnot représente la performance idéale des machines frigorifiques et se calcule simplement en fonction des températures de condensation (T cond) et d' évaporation (Tevap) selon la formule : COP camot = Tevap / (T cond - T evap) les températures étant exprimées en Kelvin.The simplest way to express this law is to express it in terms of Carnot's coefficient of performance. The Carnot coefficient of performance represents the ideal performance of refrigeration machines and is calculated simply according to the condensation (T cond) and evaporation (Tevap) temperatures according to the formula: COP camot = Tevap / (T cond - T evap) temperatures being expressed in Kelvin.
Une loi basée sur l'analyse des machines réelles peut s' exprimer par :A law based on the analysis of real machines can be expressed by:
COP = (2 , 15 x 10"3 T + 0, 025) COP carnotCOP = (2.15 x 10 "3 T + 0.025) Carnot COP
Le tableau 7 ci-après donne les COP suivant les températures d' évaporation.Table 7 below gives the COPs according to the evaporation temperatures.
Tableau 7Table 7
Ce tableau permet de calculer la puissance électrique consommée par le compresseur selon le niveau de température auquel la puissance frigorifique est fournie. Les coefficients de performance permettent de calculer la puissance consommée par le compresseur pour fournir la puissance frigorifique, aux différents échangeurs.This table is used to calculate the electrical power consumed by the compressor according to the temperature level at which the cooling power is supplied. The performance coefficients are used to calculate the power consumed by the compressor to supply the cooling power to the different exchangers.
La puissance frigorifique fournie à l'échangeur 25, pour refroidir les fumées à 0 °C, est fournie à - 5 °C. Comme la puissance frigorifique à fournir est égale à 138 M (tableau 6) et comme le coefficient de performance est de 3,57 (tableau 7), la puissance électrique consommée par le compresseur est égale à : 138 M /3,57 = 38,6 M en kW.The cooling capacity supplied to the exchanger 25, to cool the flue gases to 0 ° C, is supplied at - 5 ° C. As the cooling power to be supplied is equal to 138 M (Table 6) and as the coefficient of performance is 3.57 (Table 7), the electric power consumed by the compressor is equal to: 138 M / 3.57 = 38 , 6 M in kW.
La puissance frigorifique fournie au deuxième évaporateur refroidisseur de fumées 33 est fournie à - 30 °C. Comme la puissance frigorifique à fournir est égale à 5,4 M (tableau 6) et comme le coefficient de performance est de 1,9The cooling power supplied to the second smoke cooler evaporator 33 is supplied at -30 ° C. As the cooling capacity to be supplied is equal to 5.4 M (Table 6) and as the coefficient of performance is 1.9
(tableau 7) la puissance électrique consommée par le compresseur est égale à : 5,4/1,9 = 2,8 M en kW. La puissance frigorifique fournie aux évaporateurs d' anti-sublimation (n°l) 39 ou (n°2) 40 est fournie à - 90 °C. Comme la puissance frigorifique est de (125, 9M - 40M) = 85,9 M et comme le coefficient de performance est de 0,59 (tableau 7), la puissance électrique consommée par le compresseur est égale à : 85,9 M / 0,59 = 145,6 M en kW.(table 7) the electric power consumed by the compressor is equal to: 5.4 / 1.9 = 2.8 M in kW. The cooling capacity supplied to the anti-sublimation evaporators (n ° l) 39 or (n ° 2) 40 is supplied at - 90 ° C. As the cooling capacity is (125.9M - 40M) = 85.9 M and since the coefficient of performance is 0.59 (Table 7), the electrical power consumed by the compressor is equal to: 85.9 M / 0.59 = 145.6 M in kW.
La puissance frigorifique nécessaire au refroidissement de l'azote de 50 à - 90°C a été prise en compte dans les calculs de chaque échangeur. La puissance électrique de compression totale (PCOmp) est donc à fournir uniquement pour les évaporateurs 25 ,33 et 39 ou 40 et est donc égale à : comp = 38,6 + 2,8 + 145,6 = 187 M en kW , ainsi que cela a été mentionné précédemment. La puissance électrique consommée par le compresseur frigorifique en fonction du débit des fumées M est donc de 187 M en kW. Cette puissance est à comparer à la puissance électrique récupérée sur le débit des fumées qui est variable entre 304,5 M et 325,4 M. La puissance électrique du compresseur représente donc de l'ordre de 60% de l'énergie électrique récupérable par le cycle de récupération à vapeur d'eau décrit ci-dessus.The cooling capacity necessary for cooling the nitrogen from 50 to - 90 ° C was taken into account in the calculations of each exchanger. The total electrical compression power (P CO mp) is therefore to be supplied only for evaporators 25, 33 and 39 or 40 and is therefore equal to: com p = 38.6 + 2.8 + 145.6 = 187 M in kW, as previously mentioned. The electric power consumed by the refrigeration compressor as a function of the smoke flow M is therefore 187 M in kW. This power is to be compared to the electric power recovered on the smoke flow which is variable between 304.5 M and 325.4 M. The electric power of the compressor therefore represents around 60% of the electric energy recoverable by the steam recovery cycle described above.
On va maintenant préciser, en se reportant de nouveau à la figure 3, le fonctionnement de l'appareil frigorifique fonctionnant en cascade intégrée. Le compresseur frigorifique 17 aspire le débit masse en phase vapeur d'un des mélanges frigorigène multi-composants ci-dessus définis. Plus particulièrement, dans le cas de la variante de réalisation qui sera ci-après décrite le mélange est composé de cinq composants dont les pourcentages massiques sont les suivants : • R-50 (1 %)We will now specify, referring again to Figure 3, the operation of the refrigeration apparatus operating in integrated cascade. The refrigeration compressor 17 draws in the mass flow in the vapor phase of one of the above-defined multi-component refrigerant mixtures. More particularly, in the case of the variant embodiment which will be described below, the mixture is composed of five components whose mass percentages are as follows: • R-50 (1%)
- R-14 (3 %) ° R-170 (19 %) ° R-744 (27 %) ° R-600 (50 %) . La pression d'aspiration est de 1,7 bar. La pression de condensation, pour une température de sortie de condensât de 40 °C, est de 22 bar. Le condenseur frigorifique partiel 18 est refroidi par un circuit de refroidissement 19, le circuit de refroidissement du condenseur frigorifique partiel . Dans le circuit de refroidissement 19 circule de l'eau ou de l'air.- R-14 (3%) ° R-170 (19%) ° R-744 (27%) ° R-600 (50%). The suction pressure is 1.7 bar. The condensing pressure, for a condensate outlet temperature of 40 ° C, is 22 bar. The partial refrigerating condenser 18 is cooled by a cooling circuit 19, the cooling circuit of the partial refrigerating condenser. Water or air circulates in the cooling circuit 19.
Le condenseur frigorifique partiel 18 est un séparateur de phases liquide et gazeuse du débit total de frigorigène entrant, ci-après désigné Mf. Le débit en phase gaz, ci-après désigné Mtêtel, sort en haut, en tête, du condenseur frigorifique partiel 18 par la tuyauterie 20. Le débit liquide, ci-après désigné Mpiedl, sort en bas, en pied, par la tuyauterie 21. Les liquides sont drainés en bas du condenseur frigorifique partiel 18 du fait de la gravité. Le débit liquide (Mpiedl) se sous refroidit dans l'échangeur (n° 1) liquide-vapeur 26. Ce débit (Mpiedl) est environ égal à 50 % du débit total de frigorigène (Mf) . Le débit liquide (Mpiedl) est riche dans les composants les plus lourds, c'est-à-dire ici le R-600 et le R-744, et se détend dans le détendeur 24 à la pression d' évaporation de 1,7 bar. Le débit liquide (Mpiedl) détendu s'évapore successivement dans le premier (n° 1) évapo-condenseur 22 puis dans le premier (n° 1) évaporateur refroidisseur de fumées 25 où l' évaporation s'achève. Le débit fluide (Mpiedl) ainsi entièrement vaporisé va céder sa froideur dans l'échangeur (n° 1) liquide vapeur 26 puis rejoint le collecteur d'aspiration du compresseur 17 par la tuyauterie 27.The partial refrigeration condenser 18 is a liquid and gaseous phase separator of the total flow of incoming refrigerant, hereinafter designated Mf. The flow in the gas phase, hereinafter designated Mtêtel, leaves at the top, at the top, from the partial refrigerating condenser 18 by the piping 20. The liquid flow, hereinafter designated Mpiedl, exits at the bottom, at the bottom, by the piping 21 The liquids are drained at the bottom of the partial refrigerating condenser 18 due to gravity. The liquid flow (Mpiedl) cools down in the liquid-vapor exchanger (n ° 1) 26. This flow (Mpiedl) is approximately equal to 50% of the total refrigerant flow (Mf). The liquid flow (Mpiedl) is rich in the heaviest components, that is to say here the R-600 and the R-744, and expands in the regulator 24 at the evaporation pressure of 1.7 bar. The expanded liquid flow (Mpiedl) evaporates successively in the first (n ° 1) evaporator-condenser 22 then in the first (n ° 1) evaporator cooler of fumes 25 where the evaporation is completed. The fluid flow (Mpiedl) thus completely vaporized will give up its coldness in the heat exchanger (n ° 1) of the liquid vapor 26 and then join the suction manifold of the compressor 17 by the piping 27.
Le débit gazeux (Mtêtel) , sortant en tête du condenseur partiel 18, représente les autres 50 % du débit total de frigorigène (Mf) . Le débit gazeux (Mtêtel) va se condenser partiellement dans le premier (n° 1) évapo-condenseur 22. Ce débit (Mtêtel) devenu diphasique (liquide-vapeur) à la sortie du premier (n°l) évapo-condenseur 22 va se séparer en phases liquide et vapeur indépendantes dans le réservoir séparateur 28. Le débit phase vapeur (Mtête2) sort en tête du réservoir séparateur 28 par la tuyauterie 29. Le débit liquide (Mpied2) sort en pied du réservoir séparateur 28. Le débit gazeux (Mtêtel) sortant en tête du condenseur partiel 18, a été ainsi séparé en deux débits : un débit gazeux (Mtête2) représentant 40 % du débit entrant (Mtêtel) et un débit liquide (Mpied2) représentant 60% du débit entrant (Mtêtel) . Le débit en phase gaz (Mtête2) sortant du réservoir séparateur 28 par la tuyauterie 29 va entièrement se condenser dans le deuxième (n° 2) évapo-condenseur 32. Le débit entièrement liquide (Mtête2) s'évapore alternativement dans les évaporateurs (n°l) ou (n°2) d' anti-sublimation 39 ou 40.The gas flow (Mtêtel), leaving the partial condenser 18, represents the other 50% of the total refrigerant flow (Mf). The gas flow (Mtêtel) will partially condense in the first (n ° 1) evapo-condenser 22. This flow (Mtêtel) become two-phase (liquid-vapor) at the outlet of the first (n ° 1) evapo-condenser 22 will separate into independent liquid and vapor phases in the separator tank 28. The vapor phase flow rate (Mtête2) comes out at the top of the tank separator 28 by the piping 29. The liquid flow (Mpied2) leaves at the bottom of the separator tank 28. The gas flow (Mtêtel) leaving at the head of the partial condenser 18, has thus been separated into two flows: a gas flow (Mtête2) representing 40% of the incoming flow (Mtêtel) and a liquid flow (Mpied2) representing 60% of the incoming flow (Mtêtel). The gas phase flow (Mtête2) leaving the separator tank 28 through the piping 29 will fully condense in the second (n ° 2) evaporator-condenser 32. The entirely liquid flow (Mtête2) alternately evaporates in the evaporators (n ° l) or (n ° 2) of anti-sublimation 39 or 40.
La condensation, dans le deuxième (n° 2) évapo- condenseur 32, du débit en phase gaz (Mtête2) sortant du réservoir séparateur 28 a été effectuée par l' évaporation partielle du débit liquide (Mpied2) sortant en pied du réservoir séparateur 28 et après que ce débit liquide (Mpied2) se soit détendu dans le détendeur 31. Le débit liquide (Mpied2) achève son évaporation dans l'évaporateur refroidisseur de fumées 33. Le débit liquide (Mpied2) entièrement vaporisé cède sa froideur dans le deuxième (n°2) échangeur liquide vapeur 34 puis rejoint le collecteur d'aspiration du compresseur 17 par la tuyauterie 35.The condensation, in the second (n ° 2) evapo-condenser 32, of the flow in gas phase (Mtête2) leaving the separating tank 28 was carried out by the partial evaporation of the liquid flow (Mpied2) leaving at the bottom of the separating tank 28 and after this liquid flow (Mpied2) has expanded in the expansion valve 31. The liquid flow (Mpied2) completes its evaporation in the smoke cooler evaporator 33. The fully vaporized liquid flow (Mpied2) gives up its coldness in the second ( n ° 2) vapor liquid exchanger 34 then joins the suction manifold of the compressor 17 via the piping 35.
Le débit liquide (Mtête2) passe par la première (n° 1) vanne trois voies 37. Cette vanne est ouverte sur la tuyauterie 38 et donc fermée sur la tuyauterie 44. Le débit liquide (Mtête2) se sous-refroidit dans le deuxième évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40 qui sert alors d' échangeur de sous- refroidissement lors de sa phase de dégivrage de C02. Le débit liquide (Mtête2) , sous-refroidi, est ensuite détendu dans le premier (n°l) détendeur 41. Puis, il s'évapore dans le premier (n° 1) évaporateur d' anti-sublimation 39.The liquid flow (Mtête2) passes through the first (n ° 1) three-way valve 37. This valve is open on the piping 38 and therefore closed on the piping 44. The liquid flow (Mtête2) is sub-cooled in the second evaporator (n ° 2) of anti-sublimation 40 which then serves as a sub-cooling exchanger during its defrosting phase of C0 2 . The sub-cooled liquid flow (Mtête2) is then expanded in the first (n ° 1) expansion valve 41. Then, it evaporates in the first (n ° 1) anti-sublimation evaporator 39.
Le débit de vapeurs de frigorigène (Mtête2) sortant du premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39 passe par la deuxième (n° 2) vanne trois voies 46 et réintègre le compresseur frigorifique 17 via la tuyauterie de retour de gaz 45. Ce débit (Mtête2) représente 20 % environ du débit total de frigorigène (Mf) aspiré par le compresseur frigorifique 17.The flow of refrigerant vapors (Mtête2) leaving the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39 passes through the second (n ° 2) three-way valve 46 and reintegrates the refrigerating compressor 17 via the gas return pipe 45. This flow (Mtête2) represents around 20% of the total refrigerant flow (Mf) drawn in by the refrigeration compressor 17.
Lorsque le fonctionnement du premier évaporateur (n°When the operation of the first evaporator (no.
1) d' anti-sublimation 39 est alterné avec celui du deuxième évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40, la première (n° 1) vanne trois voies 37 commute, via la tuyauterie 44, la circulation du fluide frigorigène liquide vers le premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39 où il est sous- refroidi. Le fluide frigorigène se détend ensuite dans le détendeur (n° 2) 42. Il s'évapore ensuite dans le deuxième évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40 puis réintègre, via la deuxième (n° 2) vanne trois voies 46 et la tuyauterie 45 le compresseur frigorifique 17.1) of anti-sublimation 39 is alternated with that of the second evaporator (n ° 2) of anti-sublimation 40, the first (n ° 1) three-way valve 37 switches, via the piping 44, the circulation of the refrigerant liquid to the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39 where it is sub-cooled. The refrigerant then expands in the expansion valve (n ° 2) 42. It then evaporates in the second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40 then reintegrates, via the second (n ° 2) three-way valve 46 and the piping 45 the refrigeration compressor 17.
On va maintenant décrire la circulation du fluide frigorigène dans les deux évaporateurs d' anti-sublimation 39 et 40. Ces évaporateurs d' anti-sublimation fonctionnent alternativement. Lorsque l'un est effectivement un évaporateur, l'autre est un échangeur de sous-refroidissement et vice-versa. Dans le cas où l' évaporation s'effectue dans le premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39, la première (n° 1) vanne trois voies 37 est ouverte, le mélange de frigorigène peut circuler dans la tuyauterie 38 mais ne peut pas circuler dans la tuyauterie 44.We will now describe the circulation of the refrigerant in the two anti-sublimation evaporators 39 and 40. These anti-sublimation evaporators operate alternately. When one is effectively an evaporator, the other is a sub-cooling exchanger and vice versa. In the case where evaporation takes place in the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39, the first (n ° 1) three-way valve 37 is open, the mixture of refrigerant can circulate in the piping 38 but cannot flow through piping 44.
Le mélange de frigorigène liquide (Mtête2) après détente dans le détendeur (n°l) 41 s'évapore dans le premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimâtion 39 à une température commençante d'environ - 100 °C jusqu'à une température de l'ordre de - 70 °C en sortie.The liquid refrigerant mixture (Mtête2) after expansion in the pressure reducer (n ° l) 41 evaporates in the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39 at a starting temperature of approximately - 100 ° C up to at a temperature of the order of - 70 ° C at the outlet.
Dans le cas de figure étudié, les fumées provenant du deuxième (n° 2) évaporateur refroidisseur de fumées 33 passent par la quatrième (n° 4) vanne trois voies 53 pour aller dans le premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39. Dans ce cas de figure, les fumées ne vont pas dans le deuxième évaporateur (n°In the case studied, the fumes from the second (n ° 2) smoke cooler evaporator 33 pass through the fourth (n ° 4) three-way valve 53 to go to the first anti-vaporizer (n ° 1) sublimation 39. In this case, the fumes do not go into the second evaporator (no.
2) d' anti-sublimation 40. Ces fumées se refroidissent de leur température d'entrée qui est d'environ - 72 °C jusqu'à la température d' anti-sublimation du C02 qui est soit égale à - 78,6 °C, soit égale à - 80 °C, selon que la pression dans le premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39 est respectivement de 1 bar abs., ou de 0,85 bar abs. Une fois cette température atteinte, le C02 se givre, à l'intérieur du premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39, sur la paroi extérieure de la tuyauterie dans laquelle circule le mélange de frigorigène. Avant de pénétrer dans le premier évaporateur (n° 1) d' anti-sublimation 39, le liquide frigorigène entre aux alentours de - 45 °C dans le deuxième évaporateur (n° 2) d' antisublimation 40, qui fonctionne en échangeur de sous- refroidissement. Le fluide frigorigène se sous-refroidit de - 45°C jusqu'à - 78°C en début de cycle de dégivrage du C02 (Resp. S02) et seulement de - 45°C jusqu'à - 55°C en fin de cycle de dégivrage de C02 (Resp. S02) . Pendant le dégivrage, le C02 liquide s'accumule en partie basse du deuxième évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40. Avant de faire basculer le fonctionnement du deuxième évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40 en mode évaporation et à la fin de la liquéfaction du C02 (Resp. S02) , la troisième (n° 3) vanne trois voies 47 est ouverte. Il est ainsi possible d'aspirer le C02 liquide (Resp. S02 liquide) au moyen de la pompe 48, la pompe d'aspiration du CO2 liquide (Resp. S02 liquide) . La pompe 48 est par exemple une pompe pneumatique électrique permettant d' aspirer aussi bien du liquide que du gaz. La pompe 48 transfère le C02 liquide (Resp. S02 liquide) dans le réservoir de stockage 49, puis aspire les vapeurs de C02 (Resp. S02) mélangées à de l'azote jusqu'à remettre l'ambiance gazeuse du deuxième évaporateur (n° 2) d' anti-sublimation 40 à la pression de fonctionnement, soit 0,85 bar abs., soit 1 bar abs., selon l'option technique choisie pour la circulation des fumées. Pour des raisons pratiques, en particulier pour les véhicules, un réservoir amovible 51 est connecté au réservoir de stockage 49. La pompe 50, la pompe de remplissage du réservoir amovible, permet le remplissage du réservoir amovible 51 à partir du réservoir de stockage 49. La vanne 52 permet l'équilibrage des pressions entre les deux réservoirs 49 et 51 si nécessaire. Le réservoir amovible 51 permet le transport du C02 capturé (Resp. S02 capturé) . Un nouveau réservoir amovible mis sous vide remplace celui qui a été rempli.2) anti-sublimation 40. These fumes cool from their inlet temperature which is approximately - 72 ° C to the anti-sublimation temperature of C0 2 which is either equal to - 78.6 ° C, or equal to - 80 ° C, depending on whether the pressure in the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39 is 1 bar abs., Or 0.85 bar abs. Once this temperature has been reached, the C0 2 is frosted, inside the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39, on the external wall of the piping in which the refrigerant mixture circulates. Before entering the first anti-sublimation evaporator (n ° 1) 39, the refrigerant enters around - 45 ° C in the second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40, which operates as a sub-exchanger - cooling. The refrigerant sub-cools from - 45 ° C to - 78 ° C at the start of the C0 2 defrosting cycle (Resp. S0 2 ) and only from - 45 ° C to - 55 ° C at the end defrost cycle C0 2 (Resp. S0 2 ). During defrosting, liquid C0 2 accumulates in the lower part of the second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40. Before switching the operation of the second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40 by evaporation mode and at the end of the liquefaction of C0 2 (Resp. S0 2 ), the third (n ° 3) three-way valve 47 is open. It is thus possible to aspirate the liquid C0 2 (Resp. S0 2 liquid) by means of pump 48, the liquid CO2 suction pump (Resp. S0 2 liquid). The pump 48 is for example an electric pneumatic pump making it possible to aspirate both liquid and gas. The pump 48 transfers the liquid C0 2 (Resp. S0 2 liquid) to the storage tank 49, then sucks the vapors of C0 2 (Resp. S0 2 ) mixed with nitrogen until the gaseous atmosphere is restored. second anti-sublimation evaporator (n ° 2) 40 at operating pressure, either 0.85 bar abs., or 1 bar abs., depending on the technical option chosen for the circulation of smoke. For practical reasons, in particular for vehicles, a removable tank 51 is connected to the storage tank 49. The pump 50, the pump filling of the removable tank, allows filling of the removable tank 51 from the storage tank 49. The valve 52 allows pressure balancing between the two tanks 49 and 51 if necessary. The removable tank 51 allows the transport of captured C0 2 (Resp. S0 2 captured). A new removable vacuum tank replaces the one that has been filled.
On va maintenant décrire la circulation de l'azote sortant du premier (n° 1) évaporateur d' anti-sublimation 39. Les vapeurs d'azote passent par la cinquième (n° 5) vanne trois voies 54, puis rejoignent la tuyauterie de mise à l'air de l'azote 55. La cinquième (n° 5) vanne trois voies 54 met en communication, selon le cas, la tuyauterie de mise à l'air de l'azote 55 soit avec le premier (n° 1) évaporateur d'anti- sublimation 39, soit avec le deuxième (n° 2) évaporateur d' antisublimation 40.We will now describe the circulation of nitrogen leaving the first (n ° 1) anti-sublimation evaporator 39. The nitrogen vapors pass through the fifth (n ° 5) three-way valve 54, then join the piping of nitrogen 55 air vent. The fifth (n ° 5) three-way valve 54 puts in communication, as the case may be, the nitrogen 55 air piping either with the first (n ° 1) anti-sublimation evaporator 39, ie with the second (n ° 2) anti-sublimation evaporator 40.
Lors du dégivrage, la pression remonte par sublimation du C02 (Resp. S02) dans les évaporateurs d' anti-sublimation 39 et 40 qui sont alors en circuit fermé. A la température d'équilibre du point triple, la pression est égale à 5,2 bar. A cette pression le C02 (Resp. S02) passe de l'état solide à l'état liquide.During defrosting, the pressure rises by sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) in the anti-sublimation evaporators 39 and 40 which are then in closed circuit. At the equilibrium temperature of the triple point, the pressure is equal to 5.2 bar. At this pressure the C0 2 (Resp. S0 2 ) changes from the solid state to the liquid state.
Le débit d'azote MN2, dans la tuyauterie de mise à l'air de l'azote 55, ne représente plus que 71,9 % du débit masse initial des fumées. La pression de l'azote seul est égale à 0,736 bar, sans tenir compte ni des pertes de charge, ni des gaz en trace.The nitrogen flow M N2 , in the nitrogen 55 venting pipe, now only represents 71.9% of the initial mass flow of the fumes. The pressure of nitrogen alone is equal to 0.736 bar, without taking into account either pressure drops or trace gases.
La tuyauterie 2 de sortie du moteur thermique 1, la tuyauterie de fumées 13 et la tuyauterie de mise à l'air de l'azote 55 sont en communication, elles constituent un même circuit.The pipe 2 for the outlet of the heat engine 1, the smoke pipe 13 and the nitrogen vent pipe 55 are in communication, they constitute the same circuit.
L'élimination de l'eau dans l'échangeur de refroidissement de fumées 11, dans le premier (n° 1) évaporateur refroidisseur des fumées 25 et dans le déshydrateur 56, entraînerait une diminution de la pression dans les tuyauteries 2, 13, 55, si celle-ci n'était pas compensée : l'air atmosphérique pénétrerait dans l' appareil frigorifique par la tuyauterie 55 de mise à l'air de l'azote. De même, l' antisublimation du C02 (Resp. S02) dans les évaporateurs d' anti- sublimation 39 et 40 entraînerait une nouvelle diminution de la pression. Cette baisse de pression doit être compensée pour que l'azote puisse être rejeté à l'atmosphère. La solution représentée à la figure 3 est celle d'un compresseur à air 57 injectant un flux d'air par la tuyauterie 58, la tuyauterie d'injection du venturi, au col d'un venturi 59 permettant l'aspiration du débit d'azote à une pression de l'ordre de 0,65 bar et interdisant l'entrée d'air dans le système. Cette solution présente également l' intérêt de recréer un mélange d' azote et d' oxygène à la sortie du venturi . Une autre solution, non représentée sur la figure 3, est de mettre en place un compresseur à faible écart de pression, de type soufflante, à la sortie de l'échangeur de refroidissement des fumées 11, dans la tuyauterie de fumées 13 pour créer la surpression qui permet la remise à l'atmosphère du débit d'azote ou du débit d'azote additionné des composants traces à la sortie de la tuyauterie de mise à l'air d'azote 55.The elimination of the water in the smoke cooling exchanger 11, in the first smoke cooling evaporator 25 and in the dehydrator 56, would cause a reduction in the pressure in the pipes. 2, 13, 55, if this was not compensated for: atmospheric air would enter the refrigerating appliance through the pipe 55 for bringing nitrogen into the air. Likewise, the anti-sublimation of C0 2 (Resp. S0 2 ) in the anti-sublimation evaporators 39 and 40 would cause a further reduction in pressure. This pressure drop must be compensated for so that nitrogen can be released to the atmosphere. The solution represented in FIG. 3 is that of an air compressor 57 injecting an air flow through the piping 58, the venturi injection piping, at the neck of a venturi 59 allowing the suction of the flow of nitrogen at a pressure of the order of 0.65 bar and preventing the entry of air into the system. This solution also has the advantage of recreating a mixture of nitrogen and oxygen at the outlet of the venturi. Another solution, not shown in FIG. 3, is to install a compressor with a small pressure difference, of the blower type, at the outlet of the flue gas heat exchanger 11, in the flue pipe 13 to create the overpressure which allows the nitrogen flow or the nitrogen flow with trace components to be returned to the atmosphere at the outlet of the nitrogen venting pipe 55.
Si les teneurs des composants traces et en particulier celles de l'oxyde de carbone CO et de certains hydrocarbures légers sont non négligeables, les flux d'azote et des composants traces peuvent être réintégrés dans un mélangeur avec un débit additionnel d' air adéquat pour créer un mélange combustible dit pauvre. La combustion de ce mélange combustible est favorable à la diminution des polluants et à l'accroissement de l'efficacité énergétique d'un moteur thermique conçu à cet effet. On notera que, pendant le dégivrage du C02 (Resp. S02) sur l'échangeur d' anti-sublimation en fonctionnement, la température varie entre - 80°C et - 55°C. Cette variation importante de la température peut être utilisée pour la régulation de l'alternance des deux évaporateurs d'anti- sublimation. En effet, lorsque la température de - 55 °C est atteinte lors du dégivrage du C02 (Resp. S02) , on peut considérer que le CO2 (Resp. SO2) est passé entièrement en phase liquide. On peut alors enclencher la pompe 48 d'aspiration du C02 liquideIf the contents of the trace components and in particular those of carbon monoxide CO and certain light hydrocarbons are not negligible, the flows of nitrogen and trace components can be reintegrated in a mixer with an additional flow of air suitable for create a so-called lean fuel mixture. The combustion of this combustible mixture is favorable for reducing pollutants and increasing the energy efficiency of a heat engine designed for this purpose. Note that during the defrosting of C0 2 (Resp. S0 2 ) on the anti-sublimation exchanger in operation, the temperature varies between - 80 ° C and - 55 ° C. This significant variation in temperature can be used to regulate the alternation of the two anti-sublimation evaporators. Indeed, when the temperature of - 55 ° C is reached during the defrosting of C0 2 (Resp. S0 2 ), we can consider that the CO 2 (Resp. SO 2 ) has passed entirely into the liquid phase. We can then switch on the liquid C0 2 suction pump 48
(Resp. S02 liquide) pour le transfert dans le réservoir de stockage 49. Il est alors possible, en mesurant les pressions dans le volume intérieur de l'évaporateur en dégivrage de C02 (Resp. S0 2 liquid) for transfer to storage tank 49. It is then possible, by measuring the pressures in the interior volume of the evaporator when defrosting C0 2
(Resp. S02) d'arrêter le processus de vidage, puis de recommencer le cycle en faisant évaporer le frigorigène dans cet évaporateur d' anti-sublimation préalablement vidé de son CO2 liquide (Resp. S02 liquide). On notera qu'en début de cycle, lorsque aucun évaporateur n'est givré, le système de compression en cascade intégrée consomme plus d'énergie. En effet, le mélange qui se détend dans l'évaporateur d' anti-sublimation n'est pas sous-refroidi. L'optimisation énergétique prend en compte les temps de fonctionnement les plus probables du moteur, du processus de production d'énergie, etc. pour fixer le rythme des alternances entre les deux évaporateurs.(Resp. S0 2 ) to stop the emptying process, then restart the cycle by evaporating the refrigerant in this anti-sublimation evaporator previously emptied of its liquid CO 2 (Resp. S0 2 liquid). Note that at the start of the cycle, when no evaporator is iced, the integrated cascade compression system consumes more energy. Indeed, the mixture which expands in the anti-sublimation evaporator is not sub-cooled. Energy optimization takes into account the most likely operating times of the engine, the energy production process, etc. to set the rhythm of the alternations between the two evaporators.
La présente invention concerne également un procédé et un système permettant l'extraction (la capture) du C02 et / ou du S02 par anti-sublimation (givrage) à pression atmosphérique ou quasi atmosphérique à + ou - 0,3bar du C02, dans du méthane (CH4) extrait de gisements. La capture du S02 seul s'applique aussi à des effluents gazeux ou des fumées, lorsque ce S02 est à des concentrations variables entre 0,1% et 3%. Elle concerne plus particulièrement un procédé et un système permettant la capture par solidification du C02 et/ou du S02 en phase gazeuse, contenu dans un débit gazeux de méthane en particulier pour le méthane (CH4) ) extrait de gisements.The present invention also relates to a method and a system allowing the extraction (capture) of C0 2 and / or S0 2 by anti-sublimation (icing) at atmospheric or almost atmospheric pressure at + or - 0.3bar of C0 2 , in methane (CH 4 ) extracted from deposits. The capture of S0 2 alone also applies to gaseous effluents or fumes, when this S0 2 is at concentrations varying between 0.1% and 3%. It relates more particularly to a process and a system allowing the capture by solidification of C0 2 and / or S0 2 in the gas phase, contained in a methane gas flow, in particular for methane (CH 4 )) extracted from deposits.
Cette capture du C02 et /ou du S02 est effectuée en vue de son stockage, de sa réinjection, de transformations ou d' utilisations ultérieures .This capture of C0 2 and / or S0 2 is carried out with a view to its storage, its reinjection, further processing or use.
Les émissions de dioxyde de carbone ou C02 entraînent un accroissement de la concentration atmosphérique en C02, considéré comme inacceptable dans le long terme. Le Protocole de Kyoto consiste en des engagements des pays signataires pour limiter ces émissions . La capture du gaz carbonique et sa séquestration constituent des objectifs indispensables pour le développement économique et le maintien de concentrations atmosphériques à des niveaux limitant le changement climatique. Les émissions de SOx (S02, S03 et autres oxydes) sont déjà réglementées à la fois pour éviter les pluies acides et limiter les accidents respiratoires en zones urbaines. Pour des raisons diverses la capture du CO2, du S02, constituent des marchés existants ou émergeants pour les systèmes de dépollution. La présente invention concerne un procédé de capture par anti-sublimation du gaz carbonique et d'espèces minoritaires à faible pression partielle. Le méthane (CH4) se liquéfie à pression atmosphérique à -161, 5°C alors que le C02, le S02, selon leurs pressions partielles dans le mélange de gaz, passeront de la phase gaz à la phase solide sous pression atmosphérique à des températures variables entre -80 et -120°C.Emissions of carbon dioxide or C0 2 lead to an increase in the atmospheric concentration of C0 2 , considered unacceptable in the long term. The Kyoto Protocol consists of commitments by signatory countries to limit these emissions. The capture of carbon dioxide and its sequestration are essential objectives for economic development and the maintenance of atmospheric concentrations at levels limiting climate change. SOx emissions (S0 2 , S0 3 and other oxides) are already regulated both to avoid acid rain and to limit respiratory accidents in urban areas. For various reasons, the capture of CO2 and S0 2 constitute existing or emerging markets for depollution systems. The present invention relates to a process for capturing carbon dioxide and minority species at low partial pressure by anti-sublimation. Methane (CH 4 ) liquefies at atmospheric pressure at -161.5 ° C while C0 2 , S0 2 , according to their partial pressures in the gas mixture, will pass from the gas phase to the solid phase under atmospheric pressure at variable temperatures between -80 and -120 ° C.
Par exemple le S02, sera givré sur toute paroi froide dont la température est typiquement inférieure à -75°C pour une concentration volumique de l'ordre de 0,5%. Ces corps peuvent alors être récupérés en phase liquide par un procédé alterné de givrage/dégivrage où pression et température remontent au-dessus des points triples respectifs du C02 et du S02 dans une enceinte fermée et étanche lors de ce dégivrage. De manière avantageuse ce procédé alterné de dégivrage peut être conçu de manière à récupérer l'énergie de dégivrage.For example, S0 2 will be frosted on any cold wall whose temperature is typically lower than -75 ° C for a volume concentration of the order of 0.5%. These bodies can then be recovered in the liquid phase by an alternating icing / defrosting process where pressure and temperature rise above the respective triple points of C0 2 and S0 2 in a closed and sealed enclosure during this defrosting. Advantageously, this alternating defrosting process can be designed so as to recover the defrosting energy.
L' invention concerne un procédé d' extraction du C02 et/ou du S02. Le procédé selon l'invention comprend l'étape de refroidir du méthane extrait d'un forage, à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le C02 et/ou le S02, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation.The invention relates to a method for extracting C0 2 and / or S0 2 . The method according to the invention comprises the step of cooling methane extracted from a borehole, to a pressure substantially equal to atmospheric pressure at a temperature such that C0 2 and / or S0 2 pass directly from the state solid state vapor, via an anti-sublimation process.
De préférence, l'étape consistant à refroidir le méthane extrait d'un forage à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de carbone et/ou le S02 passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation, comprend en outre l'étape de refroidir le méthane extrait d'un forage d'une part, et le C02, le S02, d'autre part, en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée d'un mélange de fluides frigorigènes . Cette distillation fractionnée est réalisée à des températures décroissantes, étagées, du mélange de fluides frigorigènes selon un cycle comportant une phase de compression et des phases de condensation et d' évaporation successives . De préférence, l'étape consistant à refroidir le méthane extrait d'un forage à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le CO2 et/ou le SO2 passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation, est suivie d'une étape de fusion du C02, et/ou du S02, en enceinte fermée. La pression et la température dans ladite enceinte fermée évoluent jusqu'aux points triples du C02, et/ou du S02, au fur et à mesure que le mélange de fluides frigorigènes, en se sous- refroidissant, apporte des calories dans ladite enceinte fermée. De préférence, le mélange de fluides frigorigènes assure successivement :Preferably, the step consisting in cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or SO 2 pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process, further comprises the step of cooling the methane extracted from a borehole on the one hand, and the C0 2 , the S0 2 , on the other hand, by supplying frigories by means of a fractional distillation of a mixture of refrigerants. This fractional distillation is carried out at decreasing, staged temperatures, of the mixture of refrigerants in a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation. Preferably, the step consisting in cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that the CO 2 and / or the SO 2 pass directly from the vapor state to the solid state. , via an anti-sublimation process, is followed by a step of melting C0 2 , and / or S0 2 , in a closed enclosure. The pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of C0 2 , and / or of S0 2 , as the mixture of refrigerants, while sub-cooling, brings calories into said enclosure closed. Preferably, the mixture of refrigerants successively ensures:
• la fusion du C02 et/ou du S02, dans ladite enceinte fermée, et• the fusion of C0 2 and / or S0 2 , in said closed enclosure, and
• l' anti-sublimation du C02 et/ou du S02, circulant, en circuit ouvert, dans une enceinte symétrique de la précédente .• the anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 , circulating, in open circuit, in a symmetrical enclosure of the previous one.
La fusion et l' anti-sublimation du C02 et/ou du S02, sont alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes : l'une étant fermée, l'autre étant ouverte. De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape de stocker le C02 et/ou le S02, sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible.The fusion and anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 are alternately carried out in one and the other of said enclosures: one being closed, the other being open. Preferably, the method according to the invention further comprises the step of storing C0 2 and / or S0 2 , in liquid form in a tank, in particular removable.
De préférence, l'étape de stocker le CO2 et/ou le S02, sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible comprend les étapes suivantes : l'étape d'aspirer le C02, et / ou le S02, sous forme liquide contenus dans ladite enceinte fermée,Preferably, the step of storing the CO2 and / or the SO 2 , in liquid form in a tank, in particular removable, comprises the following steps: the step of aspirating the C0 2 , and / or the S0 2 , in liquid form contained in said closed enclosure,
- l'étape de ramener la pression dans ladite enceinte fermée à une pression proche de la pression atmosphérique, - l'étape de transférer le C02 et / ou le S02, sous forme liquide dans ledit réservoir.- the step of reducing the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, - the step of transferring C0 2 and / or S0 2 , in liquid form in said reservoir.
De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape de refroidir le méthane extrait d'un forage jusqu'à la température d' anti-sublimation du C02 et/ou du S02, à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique en utilisant l'énergie frigorifique disponible dans lesdites fumées sans fourniture additionnelle d'énergie.Preferably, the method according to the invention further comprises the step of cooling the methane extracted from a borehole to the anti-sublimation temperature of C0 2 and / or S0 2 , at a pressure substantially equal to atmospheric pressure using the cooling energy available in said flue gases without additional supply of energy.
Le système selon l'invention comprend des moyens de refroidissement pour refroidir le méthane extrait d'un forage à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le C02 et/ou le S02, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation .The system according to the invention comprises cooling means for cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure at a temperature such that C0 2 and / or S0 2 pass directly from the state solid state vapor, via an anti-sublimation process.
De préférence, les moyens de refroidissement pour refroidir le méthane extrait d'un forage à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le C02 et/ou le S02, passent directement de l'état vapeur à l'état solide, via un processus d' anti-sublimation comprennent en outre un appareil frigorifique à cascade intégrée pour refroidir le débit de méthane et du C02 et/ou du S02 en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée, d'un mélange de fluides frigorigènes. La distillation fractionnée du mélange de fluides frigorigènes est réalisée à des températures décroissantes, étagées, selon un cycle comportant une phase de compression et des phases de condensation et d' évaporation successives. L'appareil frigorifique comprend : un compresseur, un condenseur partiel, un réservoir séparateur, des évapo-condenseurs, des évaporateurs de refroidissement de fumées, des échangeurs liquide-vapeur, des évaporateurs d' anti-sublimation, des détendeurs. De préférence, le système selon l'invention comprend en outre une enceinte fermée parcourue par un circuit dans lequel circule un mélange de fluides frigorigènes . La pression et la température dans ladite enceinte fermée évoluent jusqu'aux points triples du C02, et/ou du SO2 au fur et à mesure que :Preferably, the cooling means for cooling the methane extracted from a borehole to a pressure substantially equal to atmospheric pressure at a temperature such as C0 2 and / or S0 2 , pass directly from the vapor state to the solid state, via an anti-sublimation process further include an integrated cascade refrigeration unit for cooling the methane flow and C0 2 and / or S0 2 by supplying frigories by means of fractional distillation, a mixture of refrigerants. The fractional distillation of the mixture of refrigerants is carried out at decreasing temperatures, stepped, according to a cycle comprising a compression phase and successive phases of condensation and evaporation. The refrigeration unit includes: a compressor, a partial condenser, a separator tank, evapo-condensers, smoke cooling evaporators, liquid-vapor exchangers, anti-sublimation evaporators, pressure reducers. Preferably, the system according to the invention further comprises a closed enclosure traversed by a circuit in which a mixture of refrigerants circulates. The pressure and the temperature in said closed enclosure evolve up to the triple points of C0 2 , and / or SO 2 as and when:
° le mélange de fluides frigorigènes, en se sous- refroidissant, apporte des calories dans ladite enceinte fermée, s lesdits C02 et/ou SO2 passent de l'état solide à l'état liquide. De préférence, le mélange de fluides frigorigènes assure successivement la fusion du C02 et/ou du S02, dans ladite enceinte fermée et l' anti-sublimâtion du C02 et/ou du S02 circulant en circuit ouvert dans une enceinte symétrique de la précédente. La fusion et l' anti-sublimation du C02 et/ou du S02 sont alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes : l'une étant fermée, l'autre étant ouverte. ° the mixture of refrigerant fluids, by sub-cooling, provides calories in said closed enclosure, said s C0 2 and / or SO 2 pass from the solid state to the liquid state. Preferably, the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of C0 2 and / or S0 2 , in said closed enclosure and the anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 circulating in open circuit in a symmetrical enclosure of the previous. The fusion and anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 are alternately carried out in one and the other of said enclosures: one being closed, the other being open.
De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de stockage, notamment un réservoir fixe et/ou amovible pour stocker le C02 et/ou le S02 sous forme liquide.Preferably, the system according to the invention further comprises storage means, in particular a fixed and / or removable reservoir for storing the C0 2 and / or the S0 2 in liquid form.
De préférence, les moyens de stockage du C02 et/ou du S02 sous forme liquide dans un réservoir fixe et/ou amovible comprennent en outre des moyens d'aspiration, notamment une pompe pneumatique. Les moyens d' aspiration permettent de réaliser une sélectivité dans la récupération du S02 et du C02 lorsqu'ils sont capturés ensemble: le S02 repasse à l'état liquide à une température de -75,5°C et à une pression de 0,016664 bar le C02 repasse à l'état liquide à une température de -56,5°C et une pression de 5,2 bar.Preferably, the means for storing C0 2 and / or S0 2 in liquid form in a fixed and / or removable tank also comprises suction means, in particular a pneumatic pump. The suction means make it possible to selectively recover S0 2 and C0 2 when they are captured together: S0 2 returns to the liquid state at a temperature of -75.5 ° C and at a pressure from 0.016664 bar the C0 2 returns to the liquid state at a temperature of -56.5 ° C and a pressure of 5.2 bar.
Les moyens d'aspiration permettent également: de ramener la pression dans ladite enceinte fermée à une pression proche de la pression atmosphérique, de transférer le C02 et / ou le SO2 liquides dans ledit réservoir. De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de compression et/ou d' aspiration pour transférer le méthane extrait d'un forage dans des dispositifs correspondant au stockage, ou aux traitements ultérieurs, après extraction du C02 et / ou du SO2 contenues dans le méthane.The suction means also make it possible: to reduce the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, to transfer the C0 2 and / or the liquid SO2 in said tank. Preferably, the system according to the invention further comprises compression and / or suction means for transferring the methane extracted from a borehole into devices corresponding to storage, or to subsequent treatments, after extraction of the C0 2 and / or SO 2 contained in methane.
De préférence, le système selon l'invention comprend en outre des moyens de transfert pour transférer les frigories contenues dans le méthane après séparation du C02, du S02 du débit total ( méthane + C02 + S02) entrant dans les canalisations du système frigorifique et contribuer ainsi au refroidissement dudit débit total.Preferably, the system according to the invention further comprises transfer means for transferring the frigories contained in the methane after separation of the C0 2 , the S0 2 from the total flow (methane + C0 2 + S0 2 ) entering the pipes of the refrigeration system and thus contribute to the cooling of said total flow.
On va maintenant décrire, de manière générale, une variante de réalisation de l'invention. Les gaz à traiter, sont composés : - d'une part de méthane (CH4) dont la concentration typique peut être de 90 à 99 %, d'autre part des espèces minoritaires : le C02 dont la concentration volumique peut varier de 1 à 10%, et / ou le S02 dont la concentration peut varier de 0,1% à 3%, Selon le procédé de la présente invention, le débit total comprenant le méthane extrait d'un forage et le C02 et /ou le S02, est refroidi par un cycle frigorifique à température progressivement basse pour permettre l' anti-sublimation du C02 et / ou du S02 à une température qui se situe entre - 80°C et -120°C et à une pression qui est de l'ordre de la pression atmosphérique à + ou - 0,3 bar.We will now describe, in general, an alternative embodiment of the invention. The gases to be treated are composed: - on the one hand of methane (CH 4 ) whose typical concentration can be 90 to 99%, on the other hand of minority species: C0 2 whose volume concentration can vary from 1 at 10%, and / or S0 2 , the concentration of which can vary from 0.1% to 3%, According to the process of the present invention, the total flow rate comprising methane extracted from a borehole and C0 2 and / or S0 2 is cooled by a refrigeration cycle at a gradually low temperature to allow anti-sublimation of C0 2 and / or S0 2 at a temperature between - 80 ° C and -120 ° C and at a pressure which is of the order of atmospheric pressure at + or - 0.3 bar.
Le terme anti-sublimation désigne ici un changement de phase direct gaz / solide qui se produit quand la température du gaz concernée est au-dessous de celle du point triple. La figure 1 rappelle le schéma de coexistence des phase solide, liquide et vapeur dans le diagramme pression température du C02. Ce diagramme vaut pour tout corps pur et en particulier pour le S02. Au-dessous du point triple, les évolutions se font directement entre la phase solide et la phase vapeur. Le passage du solide à la vapeur s'appelle la sublimation. Il n'existe pas de terme communément employé pour désigner le passage inverse. Le terme anti-sublimation a été utilisé, dans la présente description, pour désigner le passage direct de la phase vapeur à la phase solide. Au-dessous de la température ambiante, le débit total est refroidi dans un circuit comportant plusieurs segments d'échange. Il est ainsi amené à une température inférieure à la température d' anti-sublimâtion du C02 et/ou du S02 à pression atmosphérique ou proche de la pression atmosphérique. Le refroidissement du débit total est effectué dans les différents échangeurs du système frigorifique avant de parvenir aux deux évaporateurs d' anti-sublimation.The term anti-sublimation here designates a direct gas / solid phase change which occurs when the temperature of the gas concerned is below that of the triple point. FIG. 1 recalls the diagram of coexistence of the solid, liquid and vapor phases in the pressure-temperature diagram of C0 2 . This diagram is valid for any pure body and in particular for S0 2 . Below the triple point, the changes take place directly between the solid phase and the vapor phase. The transition from solid to vapor is called sublimation. He does not exist commonly used to designate the reverse passage. The term anti-sublimation has been used, in the present description, to designate the direct passage from the vapor phase to the solid phase. Below room temperature, the total flow is cooled in a circuit comprising several exchange segments. It is thus brought to a temperature lower than the anti-sublimation temperature of C0 2 and / or S0 2 at atmospheric pressure or close to atmospheric pressure. The total flow is cooled in the various exchangers of the refrigeration system before reaching the two anti-sublimation evaporators.
Les deux évaporateurs d' anti-sublimation ont un fonctionnement alternatif. Le débit total passe alternativement sur l'un ou l'autre des deux évaporateurs.The two anti-sublimation evaporators operate alternately. The total flow passes alternately on one or the other of the two evaporators.
Pendant la phase d' anti-sublimation le givre de C02 et/ou de S02, se fixe sur les parois externes du circuit de l'échangeur situé dans l'évaporateur d' anti-sublimation. Ce dépôt crée progressivement un obstacle à la circulation du méthane extrait d'un forage. Après un certain temps de fonctionnement sur cet évaporateur, le débit total ainsi que le débit du mélange de fluides frigorigènes sont respectivement basculés sur l'évaporateur symétrique. Dans ce second évaporateur, le mélange de fluides frigorigènes s'évapore à l'intérieur de l'échangeur et le CO2 et/ou le S02 se déposent sur la surface externe de celui-ci. Pendant ce temps, le premier évaporateur n'est plus le siège d'une évaporation, la température remonte donc dans ce premier évaporateur. Cette remontée en température est accélérée en faisant circuler le frigorigène liquide avant détente, dans l'échangeur du premier évaporateur. Le S02 et/ou le C02, solides se réchauffent de températures qui peuvent se situer entre -80 et -120°C jusqu'aux températures respectives de fusion. Dans un premier temps la sublimation des espèces givrées sur les parois de l'échangeur produit des vapeurs qui font monter la pression dans l'enceinte de l'évaporateur en cours de dégivrage jusqu'à ce que soient atteintes les pressions respectives correspondant aux points triples des différentes substances (0,016 bar pour le S02, 5,2 bar pour le CO2) . Lorsque ces pressions sont respectivement atteintes, la fusion du givre s'effectue alors de la phase solide vers la phase liquide.During the anti-sublimation phase, the frost of C0 2 and / or S0 2 is fixed on the external walls of the exchanger circuit located in the anti-sublimation evaporator. This deposit gradually creates an obstacle to the circulation of methane extracted from a borehole. After a certain operating time on this evaporator, the total flow rate as well as the flow rate of the mixture of refrigerants are respectively switched over to the symmetrical evaporator. In this second evaporator, the mixture of refrigerants evaporates inside the exchanger and the CO 2 and / or S0 2 is deposited on the external surface of the latter. During this time, the first evaporator is no longer the seat of an evaporation, the temperature therefore rises in this first evaporator. This temperature rise is accelerated by circulating the liquid refrigerant before expansion, in the exchanger of the first evaporator. S0 2 and / or C0 2 , solids heat up from temperatures which can be between -80 and -120 ° C up to the respective melting temperatures. Initially the sublimation of frosted species on the walls of the exchanger produces vapors which increase the pressure in the enclosure from the evaporator during defrosting until the respective pressures corresponding to the triple points of the different substances are reached (0.016 bar for S0 2 , 5.2 bar for CO 2 ). When these pressures are respectively reached, the melting of the frost then takes place from the solid phase to the liquid phase.
Une fois le SO2, les espèces minoritaires et le C02 entièrement en phase liquide, ils sont transférés par dépression relative dans un ou des réservoir (s) isolé (s) thermiquement. Selon les besoins de séparations du S02 et du C02 lorsqu'ils sont givrés ensemble, les transferts peuvent être effectués à des pressions successives correspondant à la présence préférentielle d'un de ces corps. En fin de transfert la pompe est aussi apte à aspirer le (les) gaz résiduels. Il est ainsi possible de ramener la pression à l'intérieur de l'enceinte de l'évaporateur d' antisublimation de la pression finale correspondant à la fin du dégivrage à la pression initiale proche de la pression atmosphérique, afin que le débit total puisse à nouveau y pénétrer et que le C02 et / ou le S02 puissent y être séparées du méthane.Once the SO 2 , the minority species and the C0 2 are fully in the liquid phase, they are transferred by relative depression into one or more thermally insulated tanks. Depending on the separation needs of S0 2 and C0 2 when they are frosted together, transfers can be carried out at successive pressures corresponding to the preferential presence of one of these bodies. At the end of the transfer, the pump is also able to suck up the residual gas (es). It is thus possible to reduce the pressure inside the enclosure of the anti-sublimation evaporator of the final pressure corresponding to the end of defrosting to the initial pressure close to atmospheric pressure, so that the total flow can enter it again and the C0 2 and / or S0 2 can be separated from the methane there.
Il est alors possible d'effectuer le cycle suivant et d'effectuer une anti-sublimation du C02 et/ou du S02 contenus dans le méthane extrait d'un forage sur les parois de l'évaporateur. Ce dernier est de nouveau alimenté en fluide frigorigène. Le cycle se poursuit, ainsi de suite, alternativement sur les deux évaporateurs basse température en parallèle.It is then possible to carry out the following cycle and to carry out an anti-sublimation of the C0 2 and / or of the S0 2 contained in the methane extracted from a borehole on the walls of the evaporator. The latter is again supplied with refrigerant. The cycle continues, so on, alternately on the two low temperature evaporators in parallel.
Le dispositif frigorifique met en œuvre un principe de refroidissement, en soi connu, dit en cascade intégrée. Le dispositif frigorifique selon l'invention présente toutefois des traits techniques spécifiques qui seront ci-après décrits. En effet pour refroidir les fumées, sur un écart de température important allant de la température ambiante à - 90 C et même jusqu'à - 120°C, au moyen d'un appareil frigorifique simple à réaliser, ne comprenant qu'un seul compresseur, le procédé selon l'invention met en œuvre un mélange de fluides frigorigènes. L'appareil frigorifique selon l'invention comprend un seul compresseur, deux évapo-condenseurs intermédiaires et les deux évaporateurs d' anti-sublimation basse température en parallèle précédemment décrits. Les évapo-condenseurs intermédiaires permettent à la fois la distillation du mélange de fluides frigorigènes et le refroidissement progressif du débit des fumées .The refrigeration device implements a cooling principle, known per se, known as integrated cascade. However, the refrigeration device according to the invention has specific technical features which will be described below. In fact, to cool the fumes, over a significant temperature difference ranging from ambient temperature to -90 ° C and even up to -20 ° C, by means of a refrigeration device which is simple to make, comprising only one compressor , the process according to the invention uses a mixture of refrigerants. The refrigeration apparatus according to the invention comprises a single compressor, two intermediate evapo-condensers and the two low temperature anti-sublimation evaporators in parallel previously described. Intermediate evapo-condensers allow both the distillation of the refrigerant mixture and the gradual cooling of the smoke flow.
Les mélanges de fluides frigorigènes permettant d'effectuer un cycle peuvent être des mélanges ternaire, quaternaire ou à cinq composants. Les mélanges décrits intègrent les contraintes du Protocole de Montréal qui interdit la production et, à terme, l'utilisation des gaz frigorigènes contenant du chlore. Ceci implique qu'aucun CFC (Chloro-fluoro- carbure), ni H-CFC (Hydro-Chloro-Fluoro-carbure) n'est retenu dans les composants utilisables, bien que plusieurs de ces fluides soient fonctionnellement tout à fait intéressants pour être utilisés comme fluides de travail dans une cascade intégrée. Le Protocole de Kyoto impose aussi des contraintes sur les gaz à fort Potentiel de Réchauffement Global (GWP Global Warming Potential) . Même s'ils ne sont pas interdits à l'heure actuelle, de préférence, selon l'invention, on utilise des fluides dont le GWP est le plus faible possible. Les mélanges utilisables dans la cascade intégrée selon l'invention, pour effectuer la capture du C02 dans les fumées, sont indiqués ci- dessous .The refrigerant mixtures used to carry out a cycle can be ternary, quaternary or five-component mixtures. The mixtures described integrate the constraints of the Montreal Protocol which prohibits the production and, ultimately, the use of refrigerant gases containing chlorine. This implies that no CFC (Chloro-fluorocarbon), nor H-CFC (Hydro-Chloro-Fluoro-carbide) is retained in the usable components, although several of these fluids are functionally quite interesting to be used as working fluids in an integrated cascade. The Kyoto Protocol also imposes constraints on gases with high Global Warming Potential (GWP). Even if they are not prohibited at present, preferably, according to the invention, fluids are used whose GWP is as low as possible. The mixtures which can be used in the integrated cascade according to the invention, for carrying out the capture of C0 2 in the flue gases, are indicated below.
• Les mélanges ternaires• Ternary mixtures
Les mélanges ternaires peuvent être des mélanges deTernary mixtures can be mixtures of
Méthane/C02/R-152a, soit, en adoptant la nomenclature normalisée (ISO 817) des fluides frigorigène, des mélanges R-50/R-744/R-Methane / C0 2 / R-152a, i.e., by adopting the standard nomenclature (ISO 817) of refrigerants, mixtures R-50 / R-744 / R-
152a. Il est possible de remplacer le R-152a par du butane R-600 ou de l' isobutane R-600a152a. It is possible to replace R-152a with butane R-600 or isobutane R-600a
• Les mélanges quaternaires• The quaternary mixtures
Les mélanges quaternaires peuvent être des mélanges : de R-50/R-170/R-744/R-152a, ou de R-50/R-170/R-744/R-600, ou de R-50/R-170/R-744/R-600a.The quaternary mixtures can be mixtures: of R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, or of R-50 / R-170 / R-744 / R-600, or of R-50 / R-170 / R-744 / R-600a.
Le R-50 peut aussi être remplacé par le R-14 mais son GWP est très élevé (6500 kg équivalent C02) . ° Les mélanges à cinq composantsThe R-50 can also be replaced by the R-14 but its GWP is very high (6500 kg C0 2 equivalent). ° Five-component mixtures
Les mélanges à 5 composants peuvent être réalisés en choisissant 5 de ces composants dans la liste des 8 fluides suivants : R-740, R-50, R-14, R-170, R-744, R-600, R-600a, R- 152a dans des proportions adéquates avec des températures critiques progressivement étagées, ces températures critiques étant présentées au tableau 2. On citera à titre d' exemples les mélanges suivants : de R-50/R-14/R-170/R-744/R-600, ou de R-740/R-14/R-170/R-744/R-600 ou de R-740/R-14/R-170/R-744/R-600a ou de R-740/R-14/R-170/R-744/R-152a ou de R-740/R-50/R-170/R-744/R-152a, le R-740 étant l'argon.Mixtures with 5 components can be made by choosing 5 of these components from the list of the following 8 fluids: R-740, R-50, R-14, R-170, R-744, R-600, R-600a, R-152a in adequate proportions with gradually staged critical temperatures, these critical temperatures being presented in Table 2. The following mixtures will be cited as examples: of R-50 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600, or R-740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600 or R-740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-600a or R -740 / R-14 / R-170 / R-744 / R-152a or of R-740 / R-50 / R-170 / R-744 / R-152a, R-740 being argon.
Le tableau 2 donne les caractéristiques thermochimiques principales et les dénominations de ces fluides. Table 2 gives the main thermochemical characteristics and the names of these fluids.
Tableau 2Table 2
Les deux évapo-condenseurs intermédiaires et les évaporateurs d'anti sublimation composent les trois étages de température de la cascade intégrée. Ces trois étages fonctionnent tous à la même pression puisqu'ils sont tous raccordés à l' aspiration du compresseur, mais les températures moyennes dans ces trois étages sont typiquement de l'ordre de - 5°C, - 30°C et - 90°C puisqu'il faut un écart de température entre le débit de frigorigènes circulant dans l'autre tuyauterie de chacun des échangeurs. Pour uns système fonctionnant jusqu'à -120°C, la cascade peut comporter 4 étages à des températures moyennes respectives de l'ordre de - 5°C, -40°C, -85°C et - 120°C. Les débits du mélange de fluide frigorigène dans les trois ou quatre étages de la cascade intégrée dépendent de la proportion des composants dans les mélanges de fluides frigorigènes. Il existe donc un lien entre composition et niveaux de températures de la cascade .The two intermediate evapo-condensers and the anti-sublimation evaporators make up the three temperature stages of the integrated cascade. These three stages all operate at the same pressure since they are all connected to the compressor suction, but the average temperatures in these three stages are typically of the order of - 5 ° C, - 30 ° C and - 90 ° C since there is a temperature difference between the flow of refrigerants circulating in the other piping of each of the exchangers. For a system operating up to -120 ° C, the cascade can have 4 stages at respective average temperatures of the order of - 5 ° C, -40 ° C, -85 ° C and - 120 ° C. The flow rates of the refrigerant mixture in the three or four stages of the integrated cascade depend on the proportion of the components in the refrigerant mixtures. There is therefore a link between composition and temperature levels of the waterfall.
Les données ci-après, fournies à titre d'exemple, concernent un appareil frigorifique à cascade intégrée mettant en œuvre un mélange de fluides frigorigènes à cinq composants dont la composition massique est la suivante : • R-50 1%The data below, provided by way of example, relates to a refrigeration appliance with integrated cascade using a mixture of five-component refrigerants with the following mass composition: • R-50 1%
R-14 3% R-170 19% R-744 27% R-600 50%. La proportion entre composants inflammables et non inflammables est telle que le mélange soit un mélange de sécurité non inflammable. La température critique de ce mélange est de 74,2 °C et sa pression critique de 50 bar.R-14 3% R-170 19% R-744 27% R-600 50%. The proportion between flammable and non-flammable components is such that the mixture is a non-flammable safety mixture. The critical temperature of this mixture is 74.2 ° C and its critical pressure 50 bar.
Les proportions des composants dont la température critique est la plus élevée, ici le R-600 et le R-744, sont majoritaires dans le mélange car leur évaporation dans les deux étages intermédiaires permet d'effectuer la distillation des composants à basse température critique. Les composants à basse température critique peuvent alors s'évaporer à basse température dans l'évaporateur d' anti-sublimation qui est un évaporateur double, fonctionnant en alternance sur l'une ou l'autre de ses tuyauteries parallèles.The proportions of the components with the highest critical temperature, here R-600 and R-744, are predominant in the mixture because their evaporation in the two intermediate stages makes it possible to distill the components at low critical temperature. The components at low critical temperature can then evaporate at low temperature in the anti-sublimation evaporator which is a double evaporator, operating alternately on one or the other of its parallel pipes.
De préférence, les échangeurs dans la cascade sont des échangeurs à contre-courant. Ils permettent d'utiliser les très grands écarts de température entre les entrées et les sorties.Preferably, the exchangers in the cascade are counter-current exchangers. They allow the use of very large temperature differences between inputs and outputs.
Ils permettent aussi les récupérations thermiques entre phase liquide et vapeur à températures différentes .They also allow thermal recoveries between liquid and vapor phase at different temperatures.
Si le méthane est par la suite liquéfié, alors le refroidissement se poursuit selon le procédé habituel de liquéfaction du méthane. Par contre s'il ne l'est pas, alors la « froideur » du méthane sortant de l'évaporateur d' antisublimation du C02 et/ou du S02 peut être exploitée pour refroidir le débit total. La participation du débit de méthane froid sortant de l'évaporateur d' anti-sublimation au refroidissement du débit total intervient jusqu'à ce que la température du méthane soit remontée au niveau de la température ambiante. La pression du méthane est alors égale à des valeurs se situant entre 90% et 99% de la pression initiale du débit total, compte tenu de la capture du C02 et/ou de S02. La surpression nécessaire à la circulation est réalisée par exemple par un compresseur d'air dont le débit injecté dans un venturi permet l'extraction du débit du méthane après extraction du C02, et/ou du S02.If the methane is subsequently liquefied, then cooling continues according to the usual methane liquefaction process. However, if it is not, then the “Coldness” of the methane leaving the anti-sublimation evaporator of C02 and / or S02 can be used to cool the total flow. The participation of the cold methane flow leaving the anti-sublimation evaporator in the cooling of the total flow occurs until the temperature of the methane has returned to ambient temperature. The methane pressure is then equal to values between 90% and 99% of the initial pressure of the total flow, taking into account the capture of C0 2 and / or S0 2 . The overpressure necessary for circulation is achieved for example by an air compressor whose flow injected into a venturi allows the extraction of the methane flow after extraction of C0 2 , and / or S0 2 .
Une autre conception consiste à comprimer le débit total en amont du système frigorifique de manière à créer une légère surpression par rapport à la pression atmosphérique tout le long du circuit du méthane extrait d'un forage.Another design consists in compressing the total flow upstream of the refrigeration system so as to create a slight overpressure relative to atmospheric pressure all along the methane circuit extracted from a borehole.
On a décrit ci-dessus de manière détaillée une variante de réalisation d'une installation destinée à l'extraction concomitante du C02 et du S02 des fumées, notamment celles circulant dans des cheminées de centrales de production d'électricité. Cette description est applicable, sous réserve de transpositions techniques à la portée de l'homme de métier, à une installation destinée à l'extraction du C02 et/ou du S02 contenus dans du méthane (CH4) provenant de gisements. There has been described above in detail a variant embodiment of an installation intended for the concomitant extraction of CO 2 and SO 2 from the fumes, in particular those circulating in the chimneys of electricity production plants. This description is applicable, subject to technical transposition within the reach of those skilled in the art, to an installation intended for the extraction of C02 and / or S02 contained in methane (CH4) coming from deposits.
HQ MCIA UKEHQ MCIA UKE

Claims

1. Procédé d'extraction du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, des fumées provenant de la combustion d'hydrocarbures en présence de l'ossygène et de 1' azote de l'air ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : l'étape de refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde soufre ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation, ladite étape de refroidir lesdites fumées comprenant:1. A method of extracting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, from the fumes from the combustion of hydrocarbons in the presence of oxygen and nitrogen from the air; said method comprising the following steps: the step of cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via an anti-sublimation process, said step of cooling said fumes comprising:
- l'étape de refroidir le mélange d'azote, de dioxyde de soufre, ou de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée, à des températures décroissantes, étagées, d'un mélange de fluides frigorigènes selon un cycle comportant une phase de compression et des phases de condensation et d' évaporation successives.- the step of cooling the mixture of nitrogen, sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide by supplying frigories by means of fractional distillation, at decreasing, staged temperatures, of a mixture refrigerants according to a cycle comprising a compression phase and successive condensation and evaporation phases.
2. Procédé selon la revendication 1 ; ledit procédé étant tel que l'étape de refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation comprend en outre :2. Method according to claim 1; said method being such that the step of cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via an anti-sublimation process further includes:
- l'étape d'extraire desdites fumées l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.the step of extracting said water from said fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
3. Procédé selon la revendication 2 ; tel que pour extraire desdites fumées tout ou partie de l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique on utilise un échangeur à air ou à eau.3. Method according to claim 2; such that to extract from said smoke all or part of the water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure, an air or water exchanger is used.
4. Procédé selon la revendication 3 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape d'extraire l'intégralité des quantités d' eau résiduelles dans lesdites fumées en mettant en œuvre un échangeur frigorifique et/ou un déshydrateur.4. Method according to claim 3; said method further comprising: the step of extracting all the quantities of residual water in said flue gases by using a refrigeration exchanger and / or a dehydrator.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ; l'étape consistant à refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation étant suivi : d'une étape de fusion du dioxyde de soufre ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre en enceinte fermée ; la pression et la température dans ladite enceinte fermée pendant la dite fusion évoluant jusqu'aux points triples du dioxyde de soufre ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, au fur et à mesure que le mélange de fluides frigorigènes, en se sous-refroidissant, apporte dans ladite enceinte des calories.5. Method according to any one of claims 1 to 4; the step consisting in cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via a anti-sublimation process being followed: by a step of melting sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide in a closed enclosure; the pressure and the temperature in said enclosure closed during said melting, evolving up to the triple points of sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide, as the mixture of refrigerants, under cooling, brings calories into said enclosure.
6. Procédé selon la revendication 5 ; tel que le mélange de fluides frigorigènes assure successivement la fusion du dioxyde de soufre ou du dioxyde de carbone et dudit dioxyde de soufre dans une enceinte fermée et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre ou dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre circulant en circuit ouvert dans une enceinte symétrique de la précédente ; la fusion et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre étant alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes, l'une fermée, l'autre ouverte.6. Method according to claim 5; such that the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of sulfur dioxide or carbon dioxide and said sulfur dioxide in a closed enclosure and the anti-sublimation of sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide circulating in open circuit in a symmetrical enclosure of the previous one; the fusion and anti-sublimation of sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide being alternately carried out in one and the other of said enclosures, one closed, the other open.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape de stocker le dioxyde de soufre ou le dioxyde de carbone et dioxyde de soufre sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible.7. Method according to any one of claims 5 or 6; said method further comprising: the step of storing sulfur dioxide or carbon dioxide and sulfur dioxide in liquid form in a tank, in particular removable.
8. Procédé selon la revendication 7 ; tel que l'étape de stocker le dioxyde cde soufre ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible comprend les étapes suivantes : l'étape d'aspirer le dioxyde de soufre ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre liquide contenu dans ladite enceinte fermée, l'étape de ramener la pression dans ladite enceinte fermée à une pression proche de la pression atmosphérique, l'étape de transférer le dioxyde de soufre ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre liquide dans ledit réservoir.8. The method of claim 7; such as the step of storing sulfur dioxide or carbon dioxide and the sulfur dioxide in liquid form in a tank, in particular removable, comprises the following steps: the step of sucking the sulfur dioxide or carbon dioxide and the liquid sulfur dioxide contained in said closed enclosure, the step of bringing the pressure in said closed enclosure at a pressure close to atmospheric pressure, the step of transferring the sulfur dioxide or carbon dioxide and the liquid sulfur dioxide in said tank.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape de rejeter l'azote à l'air extérieur après extractions successives des vapeurs d'eau, du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et dioxyde de soufre, contenus dans lesdites fumées .9. Method according to any one of claims 1 to 8; said method further comprising: the step of discharging nitrogen into the outside air after successive extractions of water vapors, sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, contained in said fumes.
10. Procédé selon la revendication 9 ; ledit procédé comprenant en outre :10. The method of claim 9; said method further comprising:
- l'étape de transférer les frigories contenues dans l'azote rejeté à l'air extérieur aux fumées et de contribuer ainsi au refroidissement desdites fumées.the step of transferring the frigories contained in the nitrogen discharged into the air outside the flue gases and thus contributing to the cooling of said flue gases.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape de refroidir lesdites fumées jusqu'à la température d'anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou aux températures d' anti-sublimation du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique en utilisant l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées sans fourniture additionnelle d'énergie.11. Method according to any one of claims 1 to 10; said method further comprising: the step of cooling said fumes to the anti-sublimation temperature of sulfur dioxide, or to the anti-sublimation temperatures of carbon dioxide and sulfur dioxide, to a pressure substantially equal to atmospheric pressure using the heat energy available in said smoke without additional supply of energy.
12. Procédé selon la revendication 11 ; tel que pour utiliser l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées ledit procédé comprend en outre les étapes suivantes : l'étape de réchauffer puis de vaporiser de l'eau au moyen desdites fumées, pour produire de la vapeur d'eau sous pression, l'étape de détendre ladite vapeur d'eau sous pression dans une turbine produisant de l'énergie mécanique ou électrique .12. The method of claim 11; such that to use the heat energy available in said fumes, said process further comprises the following steps: the step of heating and then vaporizing water by means of said fumes, to produce pressurized steam, the step of expanding said pressurized steam in a turbine producing mechanical energy or electric.
13. Système d'extraction du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, des fumées provenant de la combustion d'hydrocarbures en présence de l'oxygène et de l'azote de l'air ; ledit système comprenant : des moyens de refroidissement pour refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation, lesdits moyens de refroidissement comprennent: un appareil frigorifique à cascade intégrée (18, 22, 25, 26, 28, 32, 33, 34, 39, 40) pour refroidir le mélange d'azote, de dioxyde de soufre, ou de dioxyde de carbone et dioxyde de soufre, en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée, à des températures décroissantes, étagées, d'un mélange de fluides frigorigènes selon un cycle comportant une phase de compression (17) et des phases de condensation et d' évaporation successives ; ledit appareil frigorifique comprenant : un compresseur (17) , un condenseur partiel (18) , - un réservoir séparateur (28) , des évapo-condenseurs (22, 32) , des évaporateurs de refroidissement de fumées (25, 33), des échangeurs liquide-vapeur (26,34) - des évaporateurs d' anti-sublimation (39, 40), des détendeurs (24, 31, 41, 42) .13. A system for extracting sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, from the fumes from the combustion of hydrocarbons in the presence of oxygen and nitrogen from the air; said system comprising: cooling means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state via an anti-sublimation process, said cooling means comprise: a refrigeration apparatus with integrated cascade (18, 22, 25, 26, 28, 32, 33, 34, 39, 40) for cooling the mixture of nitrogen, sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, by providing frigories by means of fractional distillation, at decreasing, staged temperatures, of a mixture of refrigerants according to a cycle comprising compression phase (17) and successive condensation and evaporation phases; said refrigerating apparatus comprising: a compressor (17), a partial condenser (18), - a separator tank (28), evapo-condensers (22, 32), smoke cooling evaporators (25, 33), exchangers liquid-vapor (26,34) - anti-sublimation evaporators (39, 40), regulators (24, 31, 41, 42).
14. Système selon la revendication 13 ; lesdits moyens pour refroidir lesdites fumées à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation comprennent en outre : des moyens d'extraction, notamment des échangeurs (11, 25), pour extraire desdites fumées l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.14. The system of claim 13; said means for cooling said fumes to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such as sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, pass directly from the vapor state to the solid state via a anti-sublimation processes further comprise: extraction means, in particular exchangers (11, 25), for extracting said water fumes in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
15. Système selon la revendication 14 ; ledit système étant tel que lesdits moyens d' extraction pour extraire desdites fumées tout ou partie de l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique comprennent un échangeur à air ou à eau (11) .15. The system of claim 14; said system being such that said extraction means for extracting from said smoke all or part of the water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure comprise an air or water exchanger (11).
16. Système selon la revendication 15 ; ledit système étant tel que lesdits moyens d'extraction pour extraire l'intégralité des quantités d'eau résiduelles dans lesdites fumées comprennent un échangeur frigorifique (25) et/ou un déshydrateur (56) .16. The system of claim 15; said system being such that said extraction means for extracting all the quantities of residual water in said flue gases comprise a refrigeration exchanger (25) and / or a dehydrator (56).
17. Système selon l'une quelconque des revendications 13 à 16; ledit système comprenant en outre : une enceinte fermée (39, 40) parcourue par un circuit dans lequel circule un mélange de fluides frigorigènes ; la pression et la température dans ladite enceinte fermée évoluant jusqu'aux points triples du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, au fur et à mesure que :17. System according to any one of claims 13 to 16; said system further comprising: a closed enclosure (39, 40) traversed by a circuit in which a mixture of refrigerants circulates; the pressure and the temperature in said closed enclosure evolving up to the triple points of sulfur dioxide, or of carbon dioxide and sulfur dioxide, as and when:
• le mélange de fluides frigorigènes, en se sous- refroidissant, apporte dans ladite enceinte des calories,• the mixture of refrigerants, while sub-cooling, brings calories into said enclosure,
° ledit dioxyde de soufre, ou lesdits dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, passent de l'état solide à l'état liquide.° said sulfur dioxide, or said carbon dioxide and sulfur dioxide, pass from the solid state to the liquid state.
18. Système selon la revendication 17 ; tel que le mélange de fluides frigorigènes assure successivement la fusion du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, dans une enceinte fermée et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, circulant en circuit ouvert dans une enceinte symétrique de la précédente ; la fusion et l' anti-sublimation du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, étant alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes (39, 40), l'une fermée, l'autre ouverte.18. The system of claim 17; such that the mixture of refrigerants successively ensures the fusion sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in a closed enclosure and anti-sublimation of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, circulating in open circuit in a symmetrical enclosure from the previous one; the fusion and anti-sublimation of sulfur dioxide, or of carbon dioxide and sulfur dioxide, being alternately carried out in one and the other of said enclosures (39, 40), one closed, the other open.
19. Système selon l'une quelconque des revendications 17 ou 18 ; ledit système comprenant en outre :19. System according to any one of claims 17 or 18; said system further comprising:
- des moyens de stockage, notamment un réservoir fixe (49) et/ou amovible (51) pour stocker le dioxyde de soufre, ou dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, sous forme liquide.- Storage means, in particular a fixed tank (49) and / or removable (51) for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form.
20. Système selon la revendication 19 ; tel que lesdits moyens de stockage du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, sous forme liquide dans un réservoir fixe (49) et/ou amovible (51) comprennent en outre des moyens d'aspiration, notamment une pompe pneumatique (48) pour : aspirer le dioxyde soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, liquide contenu dans ladite enceinte20. The system of claim 19; such that said means for storing sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, in liquid form in a fixed (49) and / or removable (51) tank further comprises suction means, in particular a pneumatic pump (48) for: sucking sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid contained in said enclosure
(39, 40), ramener la pression dans ladite enceinte (39, 40) à une pression proche de la pression atmosphérique, transférer le dioxyde de soufre, ou le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre, liquide dans ledit réservoir (49).(39, 40), bringing the pressure in said enclosure (39, 40) to a pressure close to atmospheric pressure, transferring the sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, liquid in said tank (49) .
21. Système selon l'une quelconque des revendications 13 à 20 ; ledit système comprenant en outre : des moyens de compression et/ou d'aspiration (57, 59) pour rejeter l'azote à l'air extérieur après extractions successives des vapeurs d'eau, du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, contenus dans lesdites fumées.21. System according to any one of claims 13 to 20; said system further comprising: compression and / or suction means (57, 59) for discharging nitrogen into the outside air after successive extractions of water vapors, sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, contained in said fumes.
22. Système selon la revendication 21 ; ledit système comprenant en outre : des moyens de transfert (55, 13) pour transférer les frigories contenues dans l'azote rejeté à l'air extérieur aux fumées et de contribuer ainsi au refroidissement desdites fumées . 22. The system of claim 21; said system further comprising: transfer means (55, 13) for transferring the frigories contained in the nitrogen discharged to the air outside the flue gases and thus contributing to the cooling of said flue gases.
23. Système selon l'une quelconque des revendications23. System according to any one of claims
13 à 22 ; ledit système comprenant en outre :13 to 22; said system further comprising:
- des moyens de récupération (6, 7, 8, 9, 10) de l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées pour refroidir, au moins en partie, lesdites fumées jusqu'à la température d'anti-sublimâtion du dioxyde de soufre, ou du dioxyde de carbone et du dioxyde de soufre, à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.means of recovery (6, 7, 8, 9, 10) of the heat energy available in said fumes to cool, at least in part, said fumes to the anti-sublimation temperature of sulfur dioxide, or carbon dioxide and sulfur dioxide, at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
24. Système selon la revendication 23 ; tel que lesdits moyens de récupération (6, 7, 8, 9, 10) de l'énergie calorifique disponible dans lesdites fumées comprennent : des moyens de réchauffage, notamment un échangeur (6), pour réchauffer et vaporiser l'eau au moyen desdites fumées et pour produire de la vapeur d'eau sous pression, des moyens de détente, notamment une turbine (7) , pour détendre ladite vapeur d'eau sous pression et produire de l'énergie mécanique ou électrique (10) .24. The system of claim 23; such that said means for recovering (6, 7, 8, 9, 10) the heat energy available in said fumes comprises: reheating means, in particular an exchanger (6), for reheating and vaporizing the water by means of said smoke and for producing pressurized water vapor, expansion means, in particular a turbine (7), for expanding said pressurized water vapor and producing mechanical or electrical energy (10).
25. Procédé d'extraction du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre contenus dans du méthane provenant notamment de gisements ; ledit procédé comprenant les étapes suivantes : l'étape de refroidir ledit méthane à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d'anti-sublimation, l'étape consistant à refroidir ledit méthane comprenant: l'étape de refroidir le mélange de méthane, de dioxyde de carbone et/ou de dioxyde de soufre en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée, à des températures décroissantes, étagées, d'un mélange de fluides frigorigènes selon un cycle comportant une phase de compression et des phases de condensation et d' évaporation successives .25. Process for extracting carbon dioxide and / or sulfur dioxide contained in methane originating in particular from deposits; said method comprising the following steps: the step of cooling said methane to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the state solid via an anti-sublimation process, the step of cooling said methane comprising: the step of cooling the mixture of methane, carbon dioxide and / or sulfur dioxide by providing frigories by means of a fractional distillation, at decreasing temperatures, stepped, of a mixture of fluids refrigerants according to a cycle comprising a compression phase and successive condensation and evaporation phases.
26. Procédé selon la revendication 25 ; ledit méthane contenant de l'eau à l'état vapeur; ledit procédé étant tel que l'étape de refroidir ledit méthane à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation comprend en outre : - l'étape d'extraire dudit méthane l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique .26. The method of claim 25; said methane containing water in a vapor state; said method being such that the step of cooling said methane to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via an anti-sublimation process further comprises: the step of extracting said methane from water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
27. Procédé selon la revendication 26 ; tel que pour extraire dudit méthane tout ou partie de l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique on utilise un échangeur à air ou à eau.27. The method of claim 26; such that to extract from said methane all or part of the water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure, an air or water exchanger is used.
28. Procédé selon la revendication 27 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape d'extraire l'intégralité des quantités d'eau résiduelles dans ledit méthane en mettant en œuvre un échangeur frigorifique et/ou un déshydrateur.28. The method of claim 27; said method further comprising: the step of extracting all the quantities of residual water in said methane by using a refrigerant exchanger and / or a dehydrator.
29. Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 à 28 ; l'étape consistant à refroidir ledit méthane à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation étant suivi : d'une étape de fusion du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre en enceinte fermée ; la pression et la température dans ladite enceinte fermée pendant la dite fusion évoluant jusqu'aux points triples du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre, au fur et à mesure que le mélange de fluides frigorigènes, en se sous-refroidissant, apporte dans ladite enceinte des calories. 29. Method according to any one of claims 25 to 28; the step consisting in cooling said methane to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via a process of anti-sublimation being followed: by a step of melting carbon dioxide and / or sulfur dioxide in a closed enclosure; the pressure and the temperature in said enclosure closed during said melting, evolving up to the triple points of carbon dioxide and / or sulfur dioxide, as the mixture of refrigerants, by sub-cooling, provides in said calorie enclosure.
30. Procédé selon la revendication 29 ; tel que le mélange de fluides frigorigènes assure successivement la fusion du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre dans une enceinte fermée et l' anti-sublimation du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre circulant en circuit ouvert dans une enceinte symétrique de la précédente ; la fusion et l' antisublimation du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre étant alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes, l'une fermée, l'autre ouverte. 30. The method of claim 29; such that the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of carbon dioxide and / or sulfur dioxide in a closed enclosure and the anti-sublimation of carbon dioxide and / or sulfur dioxide circulating in an open circuit in an enclosure symmetrical to the previous one; the fusion and antisublimation of carbon dioxide and / or sulfur dioxide being alternately carried out in one and the other of said enclosures, one closed, the other open.
31. Procédé selon l'une quelconque des revendications31. Method according to any one of the claims
29 ou 30 ; ledit procédé comprenant en outre :29 or 30; said method further comprising:
- l'étape de stocker le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible. - The step of storing carbon dioxide and / or sulfur dioxide in liquid form in a tank, in particular removable.
32. Procédé selon la revendication 31 ; tel que l'étape de stocker le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre sous forme liquide dans un réservoir, notamment amovible comprend les étapes suivantes :32. The method of claim 31; such that the step of storing carbon dioxide and / or sulfur dioxide in liquid form in a tank, in particular removable, comprises the following steps:
- l'étape d'aspirer le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre liquide contenu dans ladite enceinte fermée,the step of sucking up the carbon dioxide and / or the liquid sulfur dioxide contained in said closed enclosure,
- l'étape de ramener la pression dans ladite enceinte fermée à une pression proche de la pression atmosphérique, l'étape de transférer le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre liquide dans ledit réservoir. - The step of reducing the pressure in said closed enclosure to a pressure close to atmospheric pressure, the step of transferring carbon dioxide and / or liquid sulfur dioxide in said tank.
33. Procédé selon l'une quelconque des revendications33. Method according to any one of claims
25 à 32 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape de récupérer le méthane après extractions du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre contenus dans ledit méthane. 25 to 32; said method further comprising: the step of recovering methane after extractions of carbon dioxide and / or sulfur dioxide contained in said methane.
34. Procédé selon la revendication 33 ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape de transférer les frigories contenues dans le méthane récupéré au méthane provenant d'un gisement et de contribuer ainsi au refroidissement dudit méthane. 34. The method of claim 33; said process further comprising: the step of transferring the frigories contained in the methane recovered to methane coming from a deposit and thus contributing to the cooling of said methane.
35. Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 à 34 ; ledit méthane étant à une température supérieure à la température ambiante ; ledit procédé comprenant en outre : l'étape de refroidir ledit méthane jusqu'à la température d'anti-sublimation du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique en utilisant l'énergie calorifique disponible dans ledit méthane sans fourniture additionnelle d' énergie . 35. Method according to any one of claims 25 to 34; said methane being at a temperature above ambient temperature; said method further comprising: the step of cooling said methane to the anti-sublimation temperature of carbon dioxide and / or sulfur dioxide to a pressure substantially equal to atmospheric pressure using the available heat energy in said methane without additional supply of energy.
36. Procédé selon la revendication 35 ; tel que pour utiliser l'énergie calorifique disponible dans ledit méthane ledit procédé comprend en outre les étapes suivantes : l'étape de réchauffer puis de vaporiser de l'eau au moyen dudit méthane, pour produire de la vapeur d'eau sous pression,36. The method of claim 35; such as to use the heat energy available in said methane, said method further comprises the following steps: the step of heating and then vaporizing water using said methane, to produce pressurized steam,
- l'étape de détendre ladite vapeur d'eau sous pression dans une turbine produisant de l'énergie mécanique ou électrique.- The step of relaxing said pressurized water vapor in a turbine producing mechanical or electrical energy.
37. Système d'extraction du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre contenus dans du méthane provenant notamment de gisements ; ledit système comprenant : des moyens de refroidissement pour refroidir dudit méthane à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation, lesdits moyens de refroidissement comprennent : un appareil frigorifique à cascade intégrée (18, 22, 25, 26, 28, 32, 33, 34, 39, 40) pour refroidir le mélange de méthane, de dioxyde de carbone et/ou de dioxyde de soufre en fournissant des frigories au moyen d'une distillation fractionnée, à des températures décroissantes, étagées, d'un mélange de fluides frigorigènes selon un cycle comportant une phase de compression (17) et des phases de condensation et d' évaporation successives ; ledit appareil frigorifique comprenant :37. System for extracting carbon dioxide and / or sulfur dioxide contained in methane originating in particular from deposits; said system comprising: cooling means for cooling said methane to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via an anti-sublimation process, said cooling means comprise: a refrigeration appliance with integrated cascade (18, 22, 25, 26, 28, 32, 33, 34, 39, 40) for cooling the mixture of methane and dioxide of carbon and / or sulfur dioxide by supplying frigories by means of fractional distillation, at decreasing, staged temperatures, of a mixture of refrigerants in a cycle comprising a compression phase (17) and successive condensation and evaporation phases; said refrigerating apparatus comprising:
- un compresseur (17) , - un condenseur partiel (18) , un réservoir séparateur (28) , des évapo-condenseurs (22, 32) , des évaporateurs de refroidissement de fumées (25, 33), - des échangeurs liquide-vapeur (26,34) des évaporateurs d' anti-sublimation (39, 40),- a compressor (17), - a partial condenser (18), a separator tank (28), evapo-condensers (22, 32), evaporators for cooling flue gases (25, 33), - liquid-vapor exchangers (26,34) anti-sublimation evaporators (39, 40),
- des détendeurs (24, 31, 41, 42) .- regulators (24, 31, 41, 42).
38. Système selon la revendication 37 ; ledit méthane contenant de l'eau à l'état vapeur; lesdits moyens pour refroidir ledit méthane à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à une température telle que le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre passent directement de l'état vapeur à l'état solide via un processus d' anti-sublimation comprennent en outre : - des moyens d'extraction, notamment des échangeurs38. The system of claim 37; said methane containing water in a vapor state; said means for cooling said methane to a pressure substantially equal to atmospheric pressure to a temperature such that carbon dioxide and / or sulfur dioxide pass directly from the vapor state to the solid state via an anti-aging process. sublimation further include: - extraction means, in particular exchangers
(11, 25), pour extraire dudit méthane l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.(11, 25), to extract from said methane water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
39. Système selon la revendication 38 ; ledit système étant tel que lesdits moyens d'extraction pour extraire dudit méthane tout ou partie de l'eau sous forme liquide à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique comprennent un échangeur à air ou à eau (11) .39. The system of claim 38; said system being such that said extraction means for extracting from said methane all or part of the water in liquid form at a pressure substantially equal to atmospheric pressure comprise an air or water exchanger (11).
40. Système selon la revendication 39 ; ledit système étant tel que lesdits moyens d'extraction pour extraire l'intégralité des quantités d'eau résiduelles dans ledit méthane comprennent un échangeur frigorifique (25) et/ou un déshydrateur (56) .40. The system of claim 39; said system being such that said extraction means for extracting all the quantities of residual water in said methane comprise a refrigerant exchanger (25) and / or a dehydrator (56).
41. Système selon l'une quelconque des revendications 37 à 40 ; ledit système comprenant en outre : une enceinte fermée (39, 40) parcourue par un circuit dans lequel circule un mélange de fluides frigorigènes ; la pression et la température dans ladite enceinte fermée évoluant jusqu'aux points triples du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre, au fur et à mesure que :41. System according to any one of claims 37 to 40; said system further comprising: a closed enclosure (39, 40) traversed by a circuit in which a mixture of refrigerants circulates; the pressure and the temperature in said closed enclosure evolving up to the triple points of carbon dioxide and / or sulfur dioxide, as and when:
° le mélange de fluides frigorigènes, en se sous- refroidissant, apporte dans ladite enceinte des calories,° the mixture of refrigerants, while sub-cooling, brings calories into said enclosure,
° le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre passent de l'état solide à l'état liquide. ° the carbon dioxide and / or sulfur dioxide pass from the solid state to the liquid state.
42. Système selon la revendication 41 ; tel que le mélange de fluides frigorigènes assure successivement la fusion du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre dans une enceinte fermée et l' anti-sublimation du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre circulant en circuit ouvert dans une enceinte symétrique de la précédente ; la fusion et l' antisublimation du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre étant alternativement réalisées dans l'une et l'autre desdites enceintes (39, 40), l'une fermée, l'autre ouverte.42. The system of claim 41; such that the mixture of refrigerants successively ensures the fusion of carbon dioxide and / or sulfur dioxide in a closed enclosure and the anti-sublimation of carbon dioxide and / or sulfur dioxide circulating in an open circuit in an enclosure symmetrical to the previous one; the fusion and antisublimation of carbon dioxide and / or sulfur dioxide being alternately carried out in one and the other of said enclosures (39, 40), one closed, the other open.
43. Système selon l'une quelconque des revendications 41 ou 42 ; ledit système comprenant en outre : des moyens de stockage, notamment un réservoir fixe (49) et/ou amovible (51) pour stocker le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre sous forme liquide.43. System according to any one of claims 41 or 42; said system further comprising: storage means, in particular a fixed tank (49) and / or removable (51) for storing carbon dioxide and / or sulfur dioxide in liquid form.
44. Système selon la revendication 43 ; tel que lesdits moyens de stockage du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre sous forme liquide dans un réservoir fixe (49) et/ou amovible (51) comprennent en outre des moyens d'aspiration, notamment une pompe pneumatique (48) pour : aspirer le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre liquide contenu dans ladite enceinte (39, 40) , ramener la pression dans ladite enceinte (39, 40) à une pression proche de la pression atmosphérique, transférer le dioxyde de carbone et/ou le dioxyde de soufre liquide dans ledit réservoir (49) . 44. The system of claim 43; such that said means for storing carbon dioxide and / or sulfur dioxide in liquid form in a fixed (49) and / or removable tank (51) further comprises suction means, in particular a pneumatic pump (48) for: sucking up the carbon dioxide and / or the liquid sulfur dioxide contained in said enclosure (39, 40), reducing the pressure in said enclosure (39, 40) to a pressure close to atmospheric pressure, transferring the carbon dioxide and / or the liquid sulfur dioxide in said tank (49).
45. Système selon l'une quelconque des revendications 37 à 44 ; ledit système comprenant en outre : des moyens de compression et/ou d'aspiration (57, 59) pour récupérer le méthane après extractions du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre contenues dans ledit méthane.45. System according to any one of claims 37 to 44; said system further comprising: compression and / or suction means (57, 59) for recovering the methane after extraction of the carbon dioxide and / or sulfur dioxide contained in said methane.
46. Système selon la revendication 45 ; ledit système comprenant en outre : des moyens de transfert (55, 13) pour transférer les frigories contenues dans ledit méthane récupéré au méthane provenant d'un gisement et de contribuer ainsi au refroidissement dudit méthane.46. The system of claim 45; said system further comprising: transfer means (55, 13) for transferring the frigories contained in said recovered methane to methane coming from a deposit and thereby contributing to the cooling of said methane.
47. Système selon l'une quelconque des revendications 37 à 46 ; ledit méthane étant à une température supérieure à la température ambiante ; ledit système comprenant en outre : - des moyens de récupération (6, 7, 8, 9, 10) de l'énergie calorifique disponible dans ledit méthane pour refroidir, au moins en partie, ledit méthane jusqu'à la température d'anti-sublimation du dioxyde de carbone et/ou du dioxyde de soufre à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique.47. System according to any one of claims 37 to 46; said methane being at a temperature above ambient temperature; said system further comprising: - means for recovering (6, 7, 8, 9, 10) of the heat energy available in said methane to cool, at least in part, said methane to the temperature of anti sublimation of carbon dioxide and / or sulfur dioxide at a pressure substantially equal to atmospheric pressure.
48. Système selon la revendication 47 ; tel que lesdits moyens de récupération (6, 7, 8, 9, 10) de l'énergie calorifique disponible dans ledit méthane comprennent : des moyens de réchauffage, notamment un échangeur (6), pour réchauffer et vaporiser l'eau au moyen desdites fumées et pour produire de la vapeur d'eau sous pression, des moyens de détente, notamment une turbine (7) , pour détendre ladite vapeur d'eau sous pression et produire de l'énergie mécanique ou électrique (10) . 48. The system of claim 47; such that said means for recovering (6, 7, 8, 9, 10) of the heat energy available in said methane comprises: reheating means, in particular an exchanger (6), for reheating and vaporizing the water by means of said smoke and for producing pressurized water vapor, expansion means, in particular a turbine (7), for expanding said pressurized water vapor and producing mechanical or electrical energy (10).
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