FR2881417A1 - Procede de production de gaz de synthese a faible emission de dioxyde de carbone - Google Patents

Procede de production de gaz de synthese a faible emission de dioxyde de carbone Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'un gaz de synthèse au moyen d'une unité de production de gaz de synthèse comprenant :- au moins un réacteur de production de gaz de synthèse (1) produisant à partir d'hydrocarbures (2) :. un gaz de synthèse brut (3) comprenant de l'hydrogène, du CO et du CO2 et . un gaz d'échappement (4) comprenant du CO2,- un dispositif d'élimination de CO2 (5) dudit gaz de synthèse brut (3) produisant un gaz comprenant essentiellement CO2 (12), ledit gaz comprenant essentiellement CO2 étant recyclé dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1), sur un site industriel comprenant en outre :- au moins une unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6) produisant un gaz d'échappement (8) comprenant du CO2,- un dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10), dans lequel :- au moins un des gaz d'échappement comprenant du CO2 produits par le réacteur de production de gaz de synthèse (4) ou par l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6) est traité dans le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10), et- le CO2 (11) produit par traitement des gaz d'échappement (4, 8) de l'unité de production de gaz de synthèse et/ou de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité par le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10) est recyclé au moins en partie dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1).

Description

La présente invention concerne un procédé permettant de réduire les
émissions de
dioxyde de carbone provenant de chaudières, de turbines à gaz et/ou d'unités de production de vapeur et d'électricité intégrées sur un site de production de gaz de synthèse.
L'invention touche différents secteurs d'activité, tels que la chimie lourde, les industries pétrochimiques, l'industrie de raffinage, l'industrie énergétique, toutes concernées par la protection environnementale.
Toutes ces industries peuvent mettre en oeuvre la conversion d'hydrocarbures lourds en produits chimiques valorisables au moyen de la production d'un gaz de synthèse. Un gaz de synthèse est un mélange de CO, H2, CH4, CO2 et H2O obtenu par le reformage à la vapeur ("steam methane reforming" ou SMR en anglais) l'oxydation partielle d'hydrocarbures ou par réformage autothermique ("autothermal reforming" ou ATR en anglais). Le réformage à la vapeur est un procédé utilisé pour produire un gaz de synthèse riche en CO à partir d'hydrocarbures allant du gaz naturel au naphta lourd. Le procédé d'oxydation partielle ou PDX est une réaction non catalytique entre les hydrocarbures, le coke ou le charbon avec de la vapeur et de l'oxygène à température et pression élevées. On peut également obtenir le gaz de synthèse par combinaison du réformage SMR et de l'oxydation partielle dans le même réacteur selon le procédé de réformage autothermique. Les hydrocarbures traités par ATR sont généralement le gaz naturel et le naphta. Ce procédé ATR conduit à des gaz de synthèse présentant un ratio H2/CO faible. Le gaz de synthèse comprend également de l'azote lorsque le réactif de base est du gaz naturel. Selon les conditions opératoires et l'utilisation à laquelle le gaz de synthèse est destinée, la composition d'un gaz de synthèse peut varier dans les proportions suivantes: H2 + CO = 75 % to 97% en volume CH4=0,5%to18%, CO2 = 2 % to 10 %.
II est ensuite traité dans une unité d'élimination du dioxyde de carbone. Si le CO est le produit désiré dans la production du gaz de synthèse, le dioxyde de carbone récupéré peut être recyclé dans le réactif destiné à être traité par le réacteur de production de gaz de synthèse. Sinon le CO2 obtenu doit être stocké ou recyclé car les normes environnementales interdisent désormais son relargage. Le dioxyde de carbone peut également se retrouver dans les fumées ou les gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse.
Ces fumées sont généralement relarguées dans l'atmosphère ce qui ne répond pas aux normes environnementales.
L'invention concerne les sites de production de gaz de synthèse dans lesquels des technologies combinant chaleur et/ou électricité ("combined heat and/or power" ou CHP en anglais) telles que les chaudières conventionnelles sont également utilisées. Dans l'industrie énergétique, ces technologies CHP, connues également sous le nom d'usines de cogénération d'électricité, consistent en un cycle ouvert ou un cycle combiné. La cogénération est la production simultanée d'électricité et de vapeur où l'électricité est produite par un alternateur entraîné par une turbine (habituellement une turbine à gaz ou à vapeur) et où la chaleur provient de la chaleur des gaz d'échappement issus d'une chaudière de production de vapeur ou d'eau chaude. Cette génération combinée de deux types d'énergie conduit à des rendements de grande efficacité par comparaison avec la production séparée et conventionnelle de chaleur et/ou d'électricité. Ainsi, pour répondre à la demande croissante en dérivés de gaz de synthèse, en vapeur et en électricité, on recherche de plus en plus des sites de production qui peuvent procurer simultanément des dérivés de gaz de synthèse, de la vapeur et de l'électricité. Mais, un problème courant de ces sites de production est de pouvoir répondre à ces contraintes environnementales en limitant le relargage de dioxyde de carbone. Un problème complémentaire est de trouver une solution au stockage du dioxyde de carbone éliminé des gaz produits par l'unité de gaz de synthèse tout en présentant une fiabilité améliorée, des coûts réduits et le respect de l'environnement.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de production de gaz de synthèse sur un site comprenant également une unité de production de chaleur et/ou d'électricité rejetant peu de dioxyde de carbone.
Un autre but de la présente invention est de proposer un procédé de production de gaz de synthèse sur un site comprenant également une unité de production de chaleur et/ou d'électricité rejetant peu de dioxyde de carbone et ne nécessitant pas le stockage du dioxyde de carbone.
Un autre but est de proposer un procédé de production de gaz de synthèse sur un site comprenant également une unité de production de chaleur et/ou d'électricité rejetant peu de dioxyde de carbone et permettant un contrôle du rapport H2/CO du gaz de synthèse produit.
Dans ces buts, l'invention concerne un procédé de production d'un gaz de synthèse au moyen d'une unité de production de gaz de synthèse comprenant: - au moins un réacteur de production de gaz de synthèse produisant à partir d'hydrocarbures: un gaz de synthèse brut comprenant de l'hydrogène, du CO et du CO2 et un gaz d'échappement comprenant du CO2, - un dispositif d'élimination de CO2 dudit gaz de synthèse brut produisant un gaz comprenant essentiellement CO2, ledit gaz comprenant essentiellement CO2 étant recyclé dans le réacteur de production de gaz de synthèse, sur un site industriel comprenant en outre: - au moins une unité de production de chaleur et/ou d'électricité produisant un gaz d'échappement comprenant du CO2, - un dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site, procédé dans lequel: - au moins un des gaz d'échappement comprenant du CO2 produits par le réacteur de production de gaz de synthèse ou par l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité est traité dans le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site, et - le CO2 produit par traitement des gaz d'échappement de l'unité de production de gaz de synthèse et/ou de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité par le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site est recyclé au moins en partie dans le réacteur de production de gaz de synthèse.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Des formes et des modes de réalisation de l'invention sont donnés à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par les figures 1 à 4 qui sont des représentations schématiques de plusieurs variantes du procédé selon l'invention.
Le procédé selon l'invention met donc en oeuvre une unité de production de gaz de synthèse comprenant au moins, d'une part, le réacteur de production de gaz de synthèse permettant d'obtenir le gaz de synthèse brut, et d'autre part, un dispositif de traitement de ce gaz de synthèse brut pour en éliminer le dioxyde de carbone.
Le réacteur de production de gaz de synthèse permettant d'obtenir le gaz de synthèse brut peut être un réacteur de réformage à la vapeur (SMR) ou un réacteur d'oxydation partielle (PDX) utilisant des hydrocarbures pour produire le gaz de synthèse brut comprenant de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et d'autres composés. II peut également s'agit d'un réacteur pour la mise en oeuvre d'un procédé ATR. Du fait de la mise en oeuvre d'une combustion dans le réacteur de production de gaz de synthèse (destinée à élever la température du réacteur pour la mise en oeuvre de la réaction de synthèse) , le réacteur de production de gaz de synthèse produit également un gaz d'échappement. Ce gaz d'échappement comprend du CO2 car il provient généralement de la combustion d'hydrocarbures.
Le dispositif de traitement du gaz de synthèse brut pour en éliminer le dioxyde de carbone est de préférence un procédé de lavage aux amines. Le CO2 est éliminé du gaz de synthèse brut sous forme d'un gaz comprenant essentiellement CO2 (c'est-à-dire comprenant au moins 99 % en volume de CO2) qui est recyclé comme réactif dans le réacteur de production de gaz de synthèse.
Selon un premier mode de l'invention, l'unité de production de gaz de synthèse comprend un dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse produisant un gaz comprenant essentiellement CO et un gaz comprenant essentiellement H2. Ce mode est mis en oeuvre lorsque le site industriel vise à produire essentiellement du monoxyde de carbone. Ce dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse est habituellement disposé après le dispositif d'élimination de CO2 dudit gaz de synthèse brut. Le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse comprend habituellement un dispositif de séchage et une boîte froide. Ainsi, le gaz de synthèse issu du dispositif d'élimination de 002 est tout d'abord séché avant d'être introduit dans une boîte froide, dans laquelle ses différents composés sont séparés par voie cryogénique. La boîte froide produit au moins un gaz comprenant essentiellement CO (c'est-à-dire comprenant de préférence au moins 98 % en volume de CO), un gaz comprenant essentiellement H2 (c'est-à-dire comprenant de préférence au moins 97 % en volume de H2), un gaz comprenant essentiellement CH4 (c'est -à-dire comprenant de préférence au moins 99 % en volume de CH4) et un gaz résiduaire comprenant un mélange de H2, CO and CH4. Le gaz résiduaire, le gaz comprenant essentiellement CH4 et le gaz comprenant essentiellement H2 peuvent être utilisés comme combustibles dans toutes les réactions de combustion mises en oeuvre sur le site industriel et notamment dans la réaction de combustion mise en oeuvre dans le réacteur de production de gaz de synthèse ou dans la réaction de combustion mise en oeuvre dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité. Le gaz comprenant essentiellement CH4 peut également être introduit dans le réacteur de production du gaz de synthèse pour être utilisé comme réactif. Selon une configuration particulière de premier mode, il est possible d'ajuster le rapport molaire H2/CO du gaz de synthèse issue du dispositif de séchage avant son introduction dans la boîte froide; cet ajustement peut être réalisé au moyen d'une membrane. Selon ce premier mode, l'unité de production de gaz de synthèse comprend de préférence un dispositif de purification du gaz comprenant essentiellement H2 produit par le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse, ledit dispositif produisant un gaz enrichi en H2. Ce dispositif de purification du gaz comprenant essentiellement H2 met de préférence en oeuvre un procédé d'adsorption modulé en pression dit PSA ("pressure swing adsorption" en anglais). Ce procédé de purification du gaz comprenant essentiellement H2 produit un gaz résiduaire qui comprend essentiellement un mélange d'hydrogène, de CO et de CH4. Ce gaz résiduaire peut être utilisé comme combustible dans toutes les réactions de combustion mises en oeuvre sur le site industriel et notamment dans le réacteur de production de gaz de synthèse et la réaction de combustion mise en oeuvre dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité.
Selon un deuxième mode de l'invention, l'unité de production de gaz de synthèse comprend un dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO du gaz de synthèse.
Ce mode est mis en oeuvre lorsque le site industriel vise à produire essentiellement un oxogaz. Le dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO de l'oxogaz comprend généralement une membrane perméable à l'hydrogène. Le choix de la sélectivité de la membrane permet d'ajuster le rapport H2/CO de l'oxogaz. La membrane produit également une perméat hydrogéné qui peut être utilisé comme combustible dans toutes les réactions de combustion mises sur le site industriel et notamment dans le réacteur de production de gaz de synthèse et la réaction de combustion mise en oeuvre dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité. La membrane perméable peut être parfois précédée d'un dispositif de séchage.
Selon l'invention, le site industriel sur lequel est située l'unité de production de gaz de synthèse comprend en outre au moins une unité de production de chaleur et/ou d'électricité CHP, cette unité produisant un gaz d'échappement comprenant du CO2. Selon l'invention, une unité de production de chaleur et/ou d'électricité produisant un gaz d'échappement comprenant du CO2 peut comprendre au moins l'un des dispositifs suivants: une turbine à gaz, une chaudière de production de vapeur, une turbine à vapeur, ou une combinaison de ces dispositifs, notamment la combinaison de la chaudière à vapeur avec la turbine à vapeur et la combinaison de la turbine à gaz avec la chaudière à vapeur, laquelle peut-être combinée à la turbine à vapeur. La turbine à gaz est un dispositif communément connu comprenant un compresseur d'air connecté à une turbine à gaz. L'air comprimé produit est introduit avec un combustible dans le dispositif de combustion de la turbine et les gaz de combustion produits passent à travers la turbine à gaz pour produire de l'électricité au moyen par exemple, d'un alternateur. Le combustible de la turbine à gaz est généralement du gaz naturel; selon le premier mode de l'invention, le gaz naturel peut être mélangé à au moins un gaz choisi parmi: le gaz comprenant essentiellement H2 produit par le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse, le gaz comprenant essentiellement CH4 produit par le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse, le gaz enrichi en H2 produit par le dispositif de purification, le gaz résiduaire de la boîte froide. La chaudière de production de vapeur consiste, elle, généralement en un dispositif de combustion produisant de la chaleur pour transformer de l'eau en vapeur. Cette chaudière consiste généralement une série d'échangeurs de chaleur, par exemple des serpentins, dans lesquels de l'eau circule et mis au contact de la chaleur produite par la combustion. Cette chaudière peut être combinée à une turbine à vapeur: ainsi, la pression de la vapeur produite par la chaudière retombe au sein d'une turbine à vapeur de manière à produire de l'électricité. La turbine à vapeur peut être soit une turbine à vapeur à contre-pression qui produit de la vapeur et de l'électricité, soit une turbine à condensation de vapeur produisant de l'eau chaude et de l'électricité. Selon une variante particulière, la turbine à vapeur peut être alimentée en partie par la vapeur d'eau produite par la chaleur issue du réacteur de production de gaz de synthèse. L'unité de production de chaleur et/ou d'électricité produit des gaz d'échappement comprenant du CO2 du fait des combustions qui y sont mises en oeuvre pour fournir de la chaleur, notamment par combustion de gaz naturel.
Enfin, selon l'invention, le site industriel comprend un dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion susceptibles d'être produits sur le site. Ce dispositif permet de traiter tous les gaz d'échappement issus d'une combustion et comprenant du CO2. Ce dispositif d'élimination de CO2 peut être un lavage aux amines ou un procédé d'adsorption du dioxyde de carbone au moyen de tamis ou un procédé de perméation par membranes.
Une première caractéristique essentielle de l'invention tient à ce qu'au moins un des gaz d'échappement comprenant du CO2 produit, soit par le réacteur de production de gaz de synthèse, soit par l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité, est traité dans le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site. Selon l'invention, il peut y avoir traitement ou des gaz d'échappement issus de l'unité de production de gaz de synthèse, ou des gaz d'échappement issus de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité, ou des gaz d'échappement provenant de ces deux unités. Le choix se fait habituellement en fonction, à la fois, de la teneur en CO2 de chaque gaz d'échappement et du taux de recyclage désiré dans le réacteur de production de gaz de synthèse. Si les gaz d'échappement provenant à la fois de l'unité de production de gaz de synthèse et de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité sont traités par le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement du site, alors le gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse est, de préférence, mélangé au gaz d'échappement de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité préalablement à son introduction dans le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site.
Une deuxième caractéristique essentielle de l'invention est que le CO2 produit par le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de l'unité de production de gaz de synthèse et/ou de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité est recyclé au moins en partie dans le réacteur de production de gaz de synthèse. Le CO2 des gaz d'échappement est recyclé comme réactif dans le réacteur de production de gaz de synthèse.
Généralement, le CO2 provenant du dispositif d'élimination de CO2 du gaz de synthèse brut et le CO2 provenant du dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement sont mélangés avant d'être recyclés dans le réacteur de production de gaz de synthèse. La quantité de CO2 produit par les dispositifs d'élimination de CO2 qui est recyclée dans le réacteur de production de gaz de synthèse est ajustée principalement en fonction du rapport H2/CO du gaz de synthèse désiré. Dans certains cas, le site industriel peut nécessiter l'utilisation de 002 comme intermédiaire dans une étape de synthèse; une partie du 002 n'est alors pas recyclée. Selon une variante, au moins une partie du CO2 produit par les dispositifs d'élimination de CO2 des unités de production de gaz de synthèse et de production de chaleur et/ou d'électricité CHP peut être comprimée avant d'être recyclé comme réactif dans le réacteur de gaz de synthèse, par exemple au moyen d'un compresseur existant et destiné habituellement à l'unité de production de gaz de synthèse.
Selon un cas particulier, la turbine à vapeur de l'unité CHP peut être couplée à un compresseur. Ce compresseur peut optionnellement comprimer le mélange des gaz d'échappement produits par la chaudière et le réacteur de production de gaz de synthèse préalablement à leur introduction dans le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site, notamment si le dispositif d'élimination est un procédé d'adsorption ou un procédé de perméation membranaire. Cette compression permet un traitement ultérieur amélioré des gaz.
Enfin, selon le procédé de l'invention, le rapport H2/CO du gaz de synthèse brut peut être contrôlé par le taux de recycle du CO2 produit par les dispositifs d'élimination de CO2 de l'unité de production de gaz de synthèse et de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité dans le réacteur de production de gaz de synthèse. Ainsi, selon l'invention, il est possible de moduler le taux de recyclage du CO2 issu du traitement des gaz d'échappement. Si le taux de recyclage est inférieur à 100 %, le CO2 non recyclé peut être exporté à l'extérieur de l'usine pour des applications nécessitant l'utilisation de CO2, le site industriel devenant alors un site producteur de CO2 valorisable. Selon un mode avantageux, l'unité de production de gaz de synthèse peut ne pas comprendre de dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO du gaz de synthèse, tel qu'une membrane. En effet, le procédé selon l'invention permettant de contrôler le rapport H2/CO à la sortie du réacteur de production de gaz de synthèse, il est donc possible d'éliminer le dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO (membrane par exemple) lorsque le produit fabriqué par l'unité de production de gaz de synthèse est un oxogaz.
La figure 1 illustre le procédé selon l'invention. Des hydrocarbures 2 subissent une réaction de réformage catalytique ou d'oxydation partielle ou de réformage autothermique (ATR) dans le réacteur 1 de manière à produire le gaz de synthèse brut 3. Le réacteur 1 produit également un gaz d'échappement 4 comprenant les gaz issus de la combustion des hydrocarbures utilisés comme combustibles (et non comme réactifs). Le gaz de synthèse brut 3 est traité dans l'unité d'élimination de CO2 5, ce qui produit un gaz de synthèse appauvri en CO2 19 et un effluent riche en CO2 12. Le gaz de synthèse appauvri en 002 19 est ensuite séché dans le sécheur 13 pour accroître l'élimination du CO2 et de l'eau et éviter leur présence dans la boîte froide 7. Le gaz séché 16 est traité dans une boîte froide 7. Dans la boîte froide, la température du gaz de synthèse séché 16 est abaissée de manière à séparer le CO des autres composés (H2, N2 and CH4). Elle produit un gaz comprenant essentiellement CO 18, un gaz comprenant essentiellement H2 9 et un gaz résiduaire 15. Le gaz résiduaire 15, qui sort de la colonne d'épuisement et est couramment désigné comme le "flash gas", est un mélange de H2, CO et CH4 qui peut être utilisé comme combustible du réacteur de production de gaz de synthèse 1 ou dans une réaction de combustion mise en oeuvre dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité. La purge de méthane 31 qui quitte le bas de la colonne de la séparation CO/CH4 de la boîte froide 7 peut être également utilisé comme combustible ou réactifs du réacteur de production de gaz de synthèse 1, selon la valeur de sa pression et les conditions requises pour la réaction catalytique.
Le gaz comprenant essentiellement H2 9 sortant de la boîte froide 7 peut être traité dans un procédé de purification d'hydrogène 22 pour produire de l'hydrogène de pureté élevée 28 et un gaz résiduaire 29 (appelé également "tail gas" en anglais). Le gaz résiduaire 29 est utilisé comme combustible dans le réacteur de production de gaz de synthèse 1 et dans la réaction de combustion mise en oeuvre dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité.
Le site industriel comprend également une unité de production de chaleur et/ou d'électricité 6 dont la chaleur est obtenue par combustion d'hydrocarbures 2 et du gaz comprenant essentiellement H2 9 de la boîte froide. Cette unité 6 produit de l'électricité 23 et un gaz d'échappement 8 comprenant du dioxyde de carbone. Ce gaz d'échappement 8 est mélangé au gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse 4. Ce mélange de gaz d'échappement (8 + 4) est traité par le dispositif d'élimination de CO2 10 du gaz de d'échappement de combustion du site. Ce dispositif 10 est de préférence choisi parmi les dispositifs d'élimination de CO2 permettant de traiter un effluent basse pression présentant une faible teneur en oxygène. Il sort de ce dispositif 10 un gaz d'échappement pauvre en CO220 et un effluent riche en 002 11, qui est mélangé à l'effluent riche en CO2 12 issu du dispositif d'élimination du CO2 5 de l'unité de production de gaz de synthèse. Ce mélange (11 + 12) riche en 002 peut être comprimé par un compresseur 21 avant d'être introduit dans le réacteur 1 avec les hydrocarbures 2. Le gaz d'échappement pauvre en CO2 20 peut être rejeté dans l'atmosphère avec une très faible teneur en CO2 par rapport aux autres produits contenus dans les gaz d'échappement.
De l'air ou de l'oxygène (non représenté) est fourni pour tous les dispositifs mettant en oeuvre une combustion 1, 6.
La figure 2 se différencie de la figure 1 par le fait que l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité 6 est une combinaison d'une turbine à gaz 63, d'une chaudière 61 et d'une turbine à vapeur 62. La turbine à gaz 63 fonctionne par combustion d'hydrocarbures 2 et du gaz comprenant essentiellement H2 9 de la boîte froide. La chaudière 61 reçoit le gaz d'échappement 24 de la turbine à gaz 63; elle est alimentée en eau 17 et produit de la vapeur 30 qui est utilisée pour faire tourner la turbine à vapeur 62 pour produire de l'électricité 231. La turbine à vapeur 62 peut également être alimentée par la vapeur 14 produite par la mise en contact d'eau avec le réacteur 1. La vapeur d'eau 31 sortant de la turbine à vapeur 62 peut être utilisée pour la mise en oeuvre du traitement d'élimination du CO2 dans le dispositif 10. La turbine à gaz 63 fonctionne au moyen d'hydrocarbures 2 et du gaz comprenant essentiellement H2 9 provenant de la boîte froide 7. Elle produit de l'électricité 232 et un gaz de combustion 24 qui est utilisé en partie pour la combustion mise en oeuvre dans la chaudière 61 et en partie pour la combustion mise en oeuvre dans le réacteur de production de gaz de synthèse 1. L'électricité produite par les turbines 62 et 63 peut être exportée ou utilisée à l'intérieur du site pour faire fonctionner des auxiliaires électriques.
Les figures 3 et 4 se différencient respectivement des figures 1 et 2 par le fait que l'unité de gaz de synthèse vise à produire un oxogaz. Par conséquent, la boîte froide est remplacée par un dispositif d'ajustement du ratio molaire H2/CO du gaz de synthèse 26 produisant un oxogaz 27 et un gaz comprenant essentiellement de l'hydrogène 25 (et une partie plus faible de CO) qui peut être utilisé dans le réacteur de production de gaz de synthèse 1 et dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité 6. Le gaz de synthèse peut être optionnellement séché par un dispositif de séchage 13 avant d'être introduit dans la membrane. Selon un mode particulier, le gaz de synthèse séché 16 peut directement présenter le rapport molaire H2/CO de l'oxogaz désiré. Pour ce mode, la membrane 26 peut alors être remplacée par un simple condenseur, l'eau condensée récupérée pouvant être réutilisée dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1) ou dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6, 61).
Par mise en oeuvre du procédé tel que précédemment décrit, les émissions de dioxyde de carbone sont considérablement réduites et il n'est plus nécessaire de trouver un moyen de stocker le CO2 produit.
Un avantage du procédé est qu'il permet de diminuer la consommation en hydrocarbures, par exemple du gaz naturel, de naphta ou de gaz de pétrole liquéfié (GPL) du fait du recyclage du CO2 dans le réacteur de production de gaz des synthèse Lorsque le produit principal de l'unité de production de gaz de synthèse est le CO, un autre avantage de l'invention est que l'on peut obtenir un taux de récupération du carbone de l'ordre de presque 100 % si la totalité du CO2 issu des gaz d'échappement est recyclé.
Du fait de l'intégration des différentes unités, les avantages suivants sont obtenus: - efficacité énergétique améliorée, - récupération de presque 100 % du carbone, d'où diminution des émissions de CO2, fiabilité améliorée - synergie des opérations et de la maintenance, -gain économique.
Le procédé selon l'invention présente l'avantage de permettre la diminution du rapport H2/CO en aval du dispositif d'élimination du CO2 de l'unité de production de gaz de synthèse. Cette diminution est obtenue par le recyclage du CO2 des différents dispositifs produisant des gaz contenant du CO2. Par leur recyclage dans le réacteur de production de gaz de synthèse, le gaz produit présente une concentration en H2 plus faible.
EXEMPLES
Plusieurs simulations ont été réalisées sur la base d'une unité de production de gaz de synthèse mettant en oeuvre une réaction SMR au moyen d'un gaz naturel présentant la composition suivante: La simulation a étémise en oeuvre pour trois cas différents: - le cas de base correspond à un site incluant une unité de production de gaz de synthèse et une unité de production de chaleur et/ou d'électricité dans laquelle, il n'y a pas de recycle du CO2 produit par l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (8) ou provenant des gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse vers l'unité de production de gaz de synthèse (4). Par contre, le CO2 (12) provenant du procédé d'élimination du CO2 du gaz de synthèse brut est recyclé.
- le cas 1 correspond au même site que dans le cas de base, mais avec recycle du 35 CO2 issu des gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse vers l'unité de production de gaz de synthèse, mais dans lequel le CO2 provenant du gaz CH4: 96,696 vol. % N2: 0,397 vol. % C2H6: 2,327 vol. % C3H8: 0,192 vol. % C4H10 (n-butane) : 0, 377 vol. % C5H12 (npentane) : 0,010 vol. % CO2: 0,001 vol. % d'échappement de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité n'est pas introduit dans le réacteur de production de gaz de synthèse. Dans ce cas, le CO2 provenant des gaz d'échappement de l'unité CHP est éliminé dans l'atmosphère.
- le cas 2 correspond au même site que dans le cas de base, mais avec recycle du CO2 issu des gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse et du CO2 issu du gaz d'échappement de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité vers l'unité de production de gaz de synthèse.
Pour ces différents cas, le gaz naturel préchauffé est introduit dans le réacteur de production de gaz de synthèse qui est un réacteur de réformage vapeur (SMR), après avoir subi un traitement d'hydrodésulfuration pour en éliminer les traces de sulfures. Dans tous les cas, on introduit également dans le réacteur SMR le CO2 recyclé provenant du dispositif d'élimination de CO2 de l'unité de production de gaz de synthèse. Ce CO2 recyclé est auparavant comprimé.
Tous ces réactifs sont chauffés à 650 C et introduits dans les tubes remplis de catalyseurs à base de nickel du réacteur SMR à 25 bars.
Le dispositif d'élimination du CO2 du gaz de synthèse brut est un lavage aux amines. Il permet de produire un gaz de synthèse présentant une teneur en CO2 inférieure à 50 ppm en volume.
Dans le cas 2, la turbine à gaz 63 est un modèle Solar Mars 100.
Dans les cas 1 et 2, l'unité d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de l'unité de production de chaleur etlou d'électricité est un lavage aux amines, la pureté du CO2 sec obtenu est de 99,9 % en volume à température ambiante et sous environ 0,55 bar effectif.
Le tableau 1 permet de comparer les procédés de chaque cas et leur impact économique.
12 Tableau 1
Cas de Cas 1 Cas 2 base CO produit (18) Nm3lh 9500 9500 9500 H2 produit (28) Nm3/h 24530 13835 8260 Vapeur exportée par l'unité de t/h 24 20,6 18, 8 production de gaz de synthèse (141) Vapeur exportée par l'unité de t/h 17,2 8,7 () 4,2 ( ) production de chaleur et/ou électricité (311) Totalité de la vapeur exportée t/h 41,2 28,0 21,7 _ Electricité produite par l'unité de MWe 9 8,69 t..n production de chaleur et/ou 8,45 n électricité(232 + 231) Gaz naturel utilisé comme réactif dans Nm3/h 12080 7728 5550 le réacteur de production de gaz de synthèse (1) Gaz naturel utilisé comme combustible Nm3/h 1900 2209 2350 dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1) Total du gaz naturel utilisé par l'unité Nm3/h 13980 9937 7900 de production de gaz de synthèse CO2 éliminé du gaz de synthèse brut et Nm3/h 3316 4741 7006 recyclé (12) Gaz naturel utilisé comme combustible Nm3/h 2717 2717 2717 dans l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (2) Gaz naturel utilisé par les deux unités Nm3/h 16697 12654 10617 Quantité de CO2 éliminée au moyen du Nm3/h - 3118 4775 dispositif d'élimination du CO2 (10) des gaz d'échappement produits et recyclée comme fluide (11) Taux de récupération du CO2 dans le % 80 dispositif d'élimination du CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10) Totalité de CO2 introduit dans le Nm3/h 3316 7859 11781 réacteur de production de gaz de synthèse (1) Rapport H2/CO à la sortie du réacteur 3,1 1,8 1,1 de production de gaz de synthèse (1) Gaz naturel économisé sur les deux Nm3/h - 4043 6080 unités Economie en gaz naturel réalisée pour MM$/an - 6,71 10,10 un coût opératoire de 17 $/MWhpcs (8400 (PCS: puissance calorifique supérieure) h/an) Charge de capital (investissement sur MM$/an - 1,18 1,55 ans et retour sur investissement de 13%) Diminution de vapeur exportée (10 MM$/an - - 0,92 - 1,36 $/MWh) (8400 h/an) Diminution d'électricité exportée (35 MM$/an - - 0,10 - 0,17 $/MWh) (8400 h/an) Economie en crédit CO2 évalué à 10 MM$/an - 4,05 4,73 $It CO2 (8400 h/an) Totalité des économies MM$/an - 9,74 13,3 (8400 h/an) (*= vapeur utilisée dans le dispositif d'élimination (10) du CO2 incluse) (** = puissance utilisée dans le dispositif d'élimination (10) du CO2 incluse) Cet exemple montre l'intérêt économique à recycler le CO2 produit par toutes les unités dans le réacteur SMR de façon à diminuer la consommation en gaz naturel total (utilisé comme réactif et combustible). Dans le cas 1, la consommation du gaz naturel total consommé par l'unité de production de gaz de synthèse est déjà réduite jusqu'à 71 % du cas de base. Dans le cas 2, le rapport H2/CO est abaissé jusqu'à 1,1 et la consommation du gaz naturel total consommé par l'unité de production de gaz de synthèse est réduite jusqu'à 57 % par rapport au cas de base.
Le graphe de la figure 5 donne le rapport molaire H2/CO (abscisse) à la sortie du réacteur de production de gaz de synthèse en fonction de la quantité de CO2 (en Nm3/h) (ordonnée) recyclé dans le réacteur de production de gaz de synthèse. On observe que la relation est linéaire; ainsi, selon la production de H2 ou CO requise, le procédé selon l'invention permet de faire varier de manière flexible le rapport H2/CO en ajustant le taux de recycle du CO2, voire l'importation de CO2. Ceci permet en outre d'éviter l'ajout d'une membrane en amont de la boîte froide ou du PSA.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'un gaz de synthèse au moyen d'une unité de production de gaz de synthèse comprenant: - au moins un réacteur de production de gaz de synthèse (1) produisant à partir d'hydrocarbures (2) : un gaz de synthèse brut (3) comprenant de l'hydrogène, du CO et du CO2 et. un gaz d'échappement (4) comprenant du CO2, - un dispositif d'élimination de CO2 (5) dudit gaz de synthèse brut (3) produisant un gaz comprenant essentiellement CO2 (12), ledit gaz comprenant essentiellement CO2 étant recyclé dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1), sur un site industriel comprenant en outre: - au moins une unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6) produisant un gaz d'échappement (8) comprenant du CO2, - un dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10), caractérisé en ce que: au moins un des gaz d'échappement comprenant du CO2 produits par le réacteur de production de gaz de synthèse (4) ou par l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6) est traité dans le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10), et - le CO2 (11) produit par traitement des gaz d'échappement (4, 8) de l'unité de production de gaz de synthèse et/ou de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité par le dispositif d'élimination de CO2 des gaz d'échappement de combustion du site (10) est recyclé au moins en partie dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6) comprend au moins l'un des dispositifs suivants: une turbine à gaz (63), une chaudière de production de vapeur (61), une turbine à vapeur (62), ou une combinaison de ces dispositifs.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de production de gaz de synthèse comprend un dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse produisant un gaz comprenant essentiellement CO (18) et un gaz comprenant essentiellement H2 (9).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse comprend un dispositif de séchage (13) et une boîte froide (7).
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'unité de production de gaz de synthèse comprend un dispositif de purification du gaz comprenant essentiellement H2 (22) produit par le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse, ledit dispositif de purification (22) produisant un gaz enrichi en H2 (28).
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de purification du gaz comprenant essentiellement H2 (22) met en oeuvre un procédé d'adsorption modulé en pression PSA.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de purification du gaz comprenant essentiellement H2 (22) met en oeuvre un procédé d'adsorption modulé en pression PSA et produit un gaz résiduaire comprenant essentiellement un mélange de H2, CO et CH4 (29) .
8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (6) comprend une turbine à gaz, le combustible de la turbine à gaz étant du gaz naturel (2) ou un mélange de gaz naturel (2) et d'au moins un gaz choisi parmi: le gaz comprenant essentiellement H2 (9) produit par le dispositif d'élimination de CO du gaz de synthèse (7), le gaz enrichi en H2 (28) produit par le dispositif de purification du gaz comprenant essentiellement H2 (22), le gaz résiduaire (15) de la boîte froide (7) et la purge de méthane (31) de la boîte froide.
9. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'unité de production de gaz de synthèse comprend un dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO du gaz de synthèse.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO est une membrane perméable à l'hydrogène (26).
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la membrane perméable à l'hydrogène (26) est précédée d'un dispositif de séchage (13).
12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le gaz d'échappement du réacteur de production de gaz de synthèse (4) est mélangé au gaz d'échappement de l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité (8) préalablement à son introduction dans le dispositif d'élimination de CO2 (10) des gaz d'échappement de combustion du site.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le CO2 (11, 12) produit par les dispositifs d'élimination de 002 (5, 10) des unités de production de gaz de synthèse et des gaz d'échappement de combustion du site est comprimé avant d'être recyclé dans le réacteur de gaz de synthèse (1).
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité comprend une turbine à vapeur (62) qui est alimentée en partie par la vapeur d'eau (14) produite par la chaleur issue du réacteur de production de gaz de synthèse (1).
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de production de chaleur et/ou d'électricité comprend une turbine à vapeur (62) et en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (31) issue de la turbine à vapeur (62) est utilisée dans le dispositif d'élimination de CO2 (10) des gaz d'échappement de combustion du site.
16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport H2/CO du gaz de synthèse brut (3) est contrôlé par le taux de recycle du CO2 (11, 12) produit par les dispositifs d'élimination de 002 (5, 10) de l'unité de production de gaz de synthèse et des gaz d'échappement de combustion du site dans le réacteur de production de gaz de synthèse (1).
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'unité de production de gaz de synthèse ne comprend pas de dispositif d'ajustement de la valeur du ratio molaire H2/CO du gaz de synthèse (26).
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