FR2947329A1 - Device for cooling gas flow e.g. during combustion of fossil fuels, has two refrigeration units comprising exchangers with brazed aluminum plates, where one of refrigeration units is located downstream of other refrigeration unit - Google Patents

Device for cooling gas flow e.g. during combustion of fossil fuels, has two refrigeration units comprising exchangers with brazed aluminum plates, where one of refrigeration units is located downstream of other refrigeration unit Download PDF

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Abstract

The device has two refrigeration units comprising respective exchangers with brazed aluminum plates, to reduce the temperature of a gas flow to a temperature less than 0 degree Celsius and less than - 30 degree Celsius respectively. One of the refrigeration units is located downstream of the other refrigeration unit. The other refrigeration unit condenses impurities chosen from heavy hydrocarbons, oxygenated organic compounds or heavy metals such as mercury or mercury salts. The exchanger in the other refrigeration unit is made of carbon or stainless steel. Independent claims are also included for the following: (1) a method for cooling a gas flow (2) a method for purifying a gas flow.

Description

La présente invention est relative à un procédé de réfrigération d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds dont les aromatiques, les composés organiques oxygénés, les métaux lourds dont le mercure ou sels de métaux lourds comprenant un premier et un second moyen de réfrigération de types différents. The present invention relates to a cooling method of a gas stream comprising CO2 and at least one impurity selected from heavy hydrocarbons having aromatic, oxygenated organic compounds, heavy metals including mercury or heavy metal salts comprising first and second means for various types of refrigeration.

Il s'agit plus précisément de développer un procédé de purification du CO2 provenant d'une combustion, en particulier d'une oxy-combustion (combustion à l'oxygène pur ou avec un gaz plus pauvre en azote que l'air) à caractère industriel, permettant de le conditionner pour son transport et son stockage pour des différentes utilisations. This is more specifically to develop a CO2 purification process from a combustion, in particular an oxy-combustion (combustion with pure oxygen or with a gas leaner in nitrogen than air) character industrial, for packaging for the transport and storage for different uses. Les gaz de combustion de combustibles fossiles et/ou de biomasse ou d'incinération de déchets ou les gaz issus de fours verriers peuvent contenir des métaux lourds tels que mercure, arsenic, fer, nickel sous forme métallique ou de sels..., des polluants organiques tels que alcools, aldéhydes, cétones, acides, esters et des composés type SOx ou NOx. The combustion gases of fossil fuels and / or biomass or waste incineration or gases from glass furnaces can contain heavy metals such as mercury, arsenic, iron, nickel in metallic form or salts ..., of organic pollutants such as alcohols, aldehydes, ketones, acids, esters and SOx or NOx type compounds. Suivant leur origine, ils peuvent également contenir des constituants tels que azote, argon, oxygène, méthane, monoxide de carbone, hydrogène. According to their origin, they may also contain components such as nitrogen, argon, oxygen, methane, carbon monoxide, hydrogen.

Or, l'application capture et stockage du CO2 nécessite des moyens de purification pour éliminer au moins une partie des impuretés et/ou constituants cités plus haut, éléments préjudiciables au procédé d'enrichissement en CO2 lui-même et/ou au stockage de ce CO2 dans les couches géologiques appropriées. Or, the application capture and storage of CO2 requires purification means for removing at least a portion of the impurities and / or components mentioned above, harmful components CO2 enrichment process itself and / or storage of this CO2 in suitable geological layers. En effet, cette application capture et stockage du CO2 nécessite généralement un procédé d'enrichissement en CO2 réalisé au moins en partie de manière cryogénique. Indeed, the CO2 capture and storage application generally requires a CO2 enrichment process carried out at least in part cryogenically. Dans un tel procédé d'enrichissement en CO2, les températures les plus froides atteintes sont généralement à l'intérieur de la fourchette de température -30/-60°C. In such CO2 enrichment process, the coldest temperatures reached are generally within the temperature range -30 / -60 ° C. De telles unités comprennent des échangeurs, des pots séparateurs liquide/vapeur, éventuellement des colonnes à distiller. Such units comprise exchangers, liquid / vapor separators pots, optionally distillation columns. De façon générale, lorsque des débits élevés, par exemple de plusieurs milliers de Nm3/h (mètre cube par heure dans les conditions standards) sont traités, il est classique dans les unités cryogéniques d'utiliser des équipements en aluminium, en particulier des échangeurs à plaques brasées en aluminium. Generally, when high flow rates, for example several thousand Nm3 / hr (cubic meters per hour under standard conditions) are treated, it is conventional in cryogenic units using aluminum equipment, especially exchangers brazed plate aluminum. Les échangeurs à plaques brasées en aluminium offrent des performances en matière de surface d'échange par volume d'échangeur et en efficacité thermique ainsi que des possibilités d'arrangement des fluides inégalées. Exchangers aluminum brazed offer exchange surface in terms of performance per volume of exchanger and thermal efficiency as well as possibilities of arrangement unparalleled fluids. Il est également souhaitable dans ce cas d'utiliser des pots séparateurs et d'éventuelles colonnes à distiller en aluminium afin en particulier de simplifier les jonctions entre équipements. It is also desirable in this case to use separators pots and any distillation columns aluminum in order in particular to simplify the connections between equipment. A noter que pour les unités de petite taille, les coûts de fabrication de ces échangeurs ne se justifient généralement pas et qu'il est utilisé des échangeurs tubulaires classiques tels que les échangeurs TEMA constitués de faisceaux de tubes en parallèle placés dans une calandre. Note that for small sized units, the manufacturing costs of these exchangers generally do not justify and is used conventional tubular heat exchangers such as TEMA exchangers consisting of parallel tube bundles placed in a calender. Dans leur configuration la plus simple, ces échangeurs tubulaires permettent les échanges thermiques entre un premier fluide circulant dans les tubes et un second tube circulant à l'extérieur des tubes, dans la calandre. In their simplest configuration, the tubular exchangers allow heat exchange between a first fluid circulating in the tubes and a second tube flowing outside the tubes in the shell. La performance énergétique demandée à ces petites unités où c'est le coût qui prime sur la performance de l'appareil, ne justifie pas l'utilisation d'échangeurs en aluminium brasé. The requested energy performance in these small units where it is the cost that overrides the camera performance does not justify the use of brazed aluminum exchangers. Cependant, la plupart des flux gazeux comprenant du CO2 contiennent des impuretés incompatibles avec une bonne utilisation des équipements en aluminium, en particulier des échangeurs à plaques en aluminium brasé. However, most gas streams comprising CO2 contain impurities incompatible with a proper use of equipment made of aluminum, in particular plate heat exchangers brazed aluminum. Parmi ces impuretés, on peut citer des hydrocarbures lourds tels des aromatiques, des composés organiques oxygénés, des métaux qui peuvent se déposer et se solidifier à des températures proches de la température ambiante et boucher les échangeurs à plaques en aluminium brasé dont la caractéristique, à l'inverse des échangeurs tubulaires, est d'avoir de faible diamètre hydraulique. Among these impurities include heavy hydrocarbons such as aromatic hydrocarbons, oxygenated organic compounds, metals which can be deposited and to solidify at temperatures near room temperature and clog exchangers brazed aluminum plate whose feature, Unlike the tubular heat exchangers is to have low hydraulic diameter. Par diamètre hydraulique, on entend diamètre du tube qui aurait les mêmes caractéristiques hydraulique, en particulier la même perte de charge linéaire que celle de l'échangeur. By hydraulic diameter means diameter of the tube which would have the same hydraulic characteristics, especially the same linear pressure loss than that of the exchanger. Plus précisément, on va pour la suite retenir une définition communément admise à savoir que le diamètre hydraulique (ou équivalent) d'un élément considéré est égal à 4 fois la section de passage du fluide sur le périmètre mouillé par ledit fluide. Specifically, it is for further retaining a definition commonly accepted in that the hydraulic diameter (or equivalent) of an item is equal to 4 times the fluid flow cross-section on the perimeter wetted by said fluid. Ainsi, pour un tube circulaire on obtient le diamètre, pour un tube de section carré, le côté et dans le cas d'un fluide circulant entre des plaques de grandes dimensions rapprochées, deux fois ledit espacement Pour illustrer ce propos, on peut considérer qu'un échangeur à plaques comporterait des milliers de tubes de quelques millimètres de diamètre alors qu'un échangeur tubulaire comporte quelques dizaines à quelques centaines de tubes de diamètre de quelques dizaines de millimètres. Thus, for a circular tube diameter is obtained, for a square section tube, the side and in the case of a fluid flowing between the plates of large dimensions close together, two times said spacing To illustrate this, one can consider that a plate heat exchanger would include thousands of tubes of a few millimeters in diameter whereas a tubular exchanger comprises tens to hundreds of pipe diameter of a few tens of millimeters. Il est aussi à noter qu'il existe des échangeurs à plaques non en aluminium, en particulier en acier, qui sont des intermédiaires entre les échangeurs en aluminium brasé et les échangeurs tubulaires. It is also noted that there are plate exchangers not aluminum, in particular of steel, which are intermediates between the brazed aluminum exchangers and tube heat exchangers. Ces échangeurs ont des diamètres hydrauliques qui peuvent être proches du centimètre et sont beaucoup moins sensibles au bouchage que les échangeurs en aluminium brasé. These exchangers have hydraulic diameters which may be close to the centimeter and are much less susceptible to plugging than aluminum brazed exchangers. Au niveau performances, ils sont également intermédiaires entre les deux types d'échangeurs cités plus haut. At performances, they are intermediate between the two types of heat exchangers mentioned above. On peut citer également parmi les contre indications à l'utilisation d'échangeur brasés, le 5 mercure qui peut former des amalgames avec l'aluminium et créer des phénomènes de corrosion bien connus. Mention may also be among the indications against the use of brazed heat exchanger, 5 mercury that can form amalgams with aluminum and create well-known corrosion. Une solution consiste à éliminer ces impuretés avant la partie séparation froide. One solution is to remove these impurities before the cold separation part. On peut utiliser pour cela des procédés d'adsorption (physi- ou chimi-sorption), des lavages...de façon à atteindre des niveaux résiduels d'impuretés acceptables dans l'échangeur à plaques en 10 aluminium brasé. Can be used for this adsorption processes (physically or household c-sorption), washes ... so as to achieve acceptable levels of impurities remaining in the plate heat exchanger 10 brazed aluminum. C'est la solution utilisée pour beaucoup de procédés cryogéniques tels que la séparation des gaz de l'air, la séparation de gaz de synthèse à l'amont desquelles on retire eau, CO2, méthanol et la plupart des traces d'impuretés. This is the solution used for many cryogenic processes such as the separation of air gases, separation of synthesis gas which is removed upstream water, CO2, methanol and most of the trace impurities. Cependant ces procédés peuvent être coûteux en investissement, en énergie en raison des 15 pertes de charge, des régénérations éventuelles à haute température... Partant de là, un but de la présente invention est de fournir un procédé de traitement d'un flux gazeux comprenant du CO2 par cryogénie, exempt des problèmes susmentionnés. However, these processes can be costly investment in energy because of the 15 losses, high temperature possible regenerations ... From there, an object of the present invention to provide a method of treating a gas stream comprising CO2 cryogenically free of the abovementioned problems. Une solution de l'invention est un dispositif de réfrigération d'un flux gazeux comprenant : 20 - un premier moyen de réfrigération, ne comprenant pas d'échangeur à plaques en aluminium brasé, permettant d'abaisser la température du flux gazeux à une première température Tl < 0°C, et - un deuxième moyen de réfrigération, comprenant au moins un échangeur à plaques en aluminium brasé, permettant d'abaisser la température du flux gazeux à une deuxième 25 température T2 telle que T2 < Tl, et T2 < -30°C le deuxième moyen de réfrigération étant situé en aval du premier moyen de réfrigération. A solution of the invention is a refrigeration apparatus of a gas stream comprising: 20 - a first means of refrigeration, including no plate heat exchanger brazed aluminum, for lowering the temperature of the gas stream at a first temperature Tl <0 ° C, and - a second refrigeration means comprising at least a brazed aluminum plate exchanger, for lowering the temperature of the gas stream 25 at a second temperature T2 such that T2 <Tl, and T2 < -30 ° C the second refrigeration means being located downstream of the first means of refrigeration. Selon le cas, le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le premier moyen de réfrigération est apte à condenser au moins une des impuretés choisi parmi 30 les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les vapeurs métalliques, en particulier le mercure ; Depending on the case, the device according to the invention may comprise one or more of the following features: - the first refrigeration means is adapted to condense at least one of the impurities selected from the 30 heavy hydrocarbons, oxygenated organic compounds, metal vapors, especially mercury; - le premier moyen de réfrigération comprend un échangeur en acier carbone ou inox ; - the first refrigeration means comprises a carbon steel or stainless exchanger; - le premier moyen de réfrigération est un échangeur tubulaire ; - the first refrigeration means is a tubular heat exchanger; - le premier moyen de réfrigération est un échangeur de diamètre de passage équivalent > 10 mm; - the first means of refrigeration is an equivalent passage diameter exchanger> 10 mm; - le premier moyen de réfrigération est un échangeur à plaques en acier, préférentiellement en acier inoxydable. - the first refrigeration means is a steel plate heat exchanger, preferably of stainless steel. La présente invention a également pour objet un procédé de réfrigération d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux lourds dont le mercure ou sels de métaux lourds..., mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention, et comprenant : - un premier refroidissement du flux gazeux à une première température Tl < 0°C à l'aide du premier moyen de réfrigération ; The present invention also relates to a cooling method of a gas flow comprising CO2 and at least one impurity selected from heavy hydrocarbons, oxygenated organic compounds, heavy metals including mercury or heavy metal salts ..., implementing a device according to the invention and comprising: - a first cooling of the gas stream at a first temperature Tl <0 ° C using the first refrigeration means; et - un deuxième refroidissement du flux gazeux, déjà refroidi lors du premier refroidissement, à une température T2 telle que T2 < Tl et T2 < -30°C à l'aide du deuxième moyen de réfrigération. and - a second cooling of the gas stream, already cooled in the first cooling, at a temperature T2 such that T2 <Tl and T2 <-30 ° C using the second means of refrigeration. Selon le cas, le procédé de réfrigération selon l'invention peut présenter l'une ou l'autre des caractéristiques suivantes : - lors du premier refroidissement au moins une impureté est au moins partiellement supprimée par condensation et/ou solidification. As applicable, the chilling process of the invention may have one or more of the following features: - during the first cooling at least one impurity is at least partially removed by condensation and / or solidification. - ledit procédé comprend une séparation de phase entre le premier et le second refroidissement. - said method comprises a phase separation between the first and second cooling. Cette séparation de phase après la condensation et/ou solidification d'une ou des impuretés permet de supprimer du flux gazeux, les impuretés incompatibles avec les échangeurs en aluminium de telle sorte que la quantité résiduelle soit compatible avec les équipements aval. This phase separation after the condensation and / or solidification of one or eliminates impurities from the gas stream, incompatible impurities with aluminum exchangers so that the residual amount is compatible with downstream equipment. - la teneur en mercure dans le flux gazeux entrant dans le deuxième moyen de réfrigération est inférieure à 1 ig/Nm3, de préférence inférieure à 0,1 gg/Nm3 - le flux gazeux correspond à des fumées d'oxycombustion. - the mercury content in the gas stream entering the second refrigeration means is less than 1 ug / Nm3, preferably less than 0.1 gg / Nm3 - the gas stream corresponds to oxyfuel combustion fumes. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé de purification par distillation cryogénique d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux dont le mercure ou les sels métalliques comprenant : a) une étape de compression du flux gazeux à une pression supérieure à 10 bar abs; According to another aspect of the invention, there is provided a purification process by cryogenic distillation of a gas stream comprising CO2 and at least one impurity selected from heavy hydrocarbons, oxygenated organic compounds, metals including mercury or metal salts comprising: a) a step of compressing the gas stream to a greater than 10 bar abs pressure; b) une étape de réfrigération du flux gazeux comprimé réalisée selon le procédé de réfrigération de l'invention définie ci-dessus ; b) a cooling step of the compressed gas stream produced according to the chilling process of the invention defined above; c) une étape de distillation cryogénique du flux gazeux comprimé et refroidi ; c) a cryogenic distillation step the compressed gas stream and cooled; et d) une étape de récupération d'un flux gazeux, enrichi en CO2, à l'état liquide. and d) a step for recovering a gas stream enriched in CO2, in the liquid state.

De façon préférentielle, tous les équipements (tuyauteries, colonnes à distiller) situés en aval de l'étape b) sont en aluminium. Preferably, all the equipment (pipes, distillation columns) downstream of step b) are aluminum. Le CO2, récupéré à l'étape d) à l'état liquide, peut-être transporté et/ou stocké. CO2, recovered in step d) in the liquid state, may be transported and / or stored. L'utilisation du premier moyen de réfrigération permet d'atteindre un premier niveau de température Ti tel que les niveaux résiduels d'impuretés en phase vapeur sont acceptables dans l'échangeur à plaques en aluminium brasé utilisé quant à lui pour atteindre le deuxième niveau de température nécessaire à l'enrichissement du CO2 et/ ou à sa liquéfaction. The use of the first refrigeration means achieves a first level of temperature Ti such that the residual vapor impurity levels are acceptable in the brazed aluminum plate exchanger used in turn to reach the second level temperature needed to CO2 enrichment and / or liquefaction. Dans le premier moyen de réfrigération, les impuretés peuvent être condensées, mises en solution dans les condensats existants, solidifiées et entrainées par le gaz ou le liquide...éventuellement se déposer et être éliminées périodiquement (lavage par un solvant, réchauffement partiel). In the first refrigeration means, the impurities can be condensed, brought into solution in existing condensate solidified and entrained by the gas or liquid ... eventually settle and be removed periodically (washing with a solvent, partial heating).

Claims (12)

  1. Revendications1. Revendications1. Dispositif de réfrigération d'un flux gazeux comprenant : - un premier moyen de réfrigération, ne comprenant pas d'échangeur à plaques en aluminium brasé, permettant d'abaisser la température du flux gazeux à une première température Ti < 0°C, et - un deuxième moyen de réfrigération, comprenant un échangeur à plaques en aluminium brasé, permettant d'abaisser la température du flux gazeux à une deuxième température T2 telle que T2 10 < T1, et T2 < -30°C le deuxième moyen de réfrigération étant situé en aval du premier moyen de réfrigération. A refrigeration device of a gas stream comprising: - first means of refrigeration, including no plate heat exchanger brazed aluminum, for lowering the temperature of the gas stream at a first temperature Ti <0 ° C, and - a second refrigeration means comprising a plate heat exchanger brazed aluminum, for lowering the temperature of the gaseous stream to a second temperature T2 such as T2 10 <T1, and T2 <-30 ° C the second refrigeration means being located downstream of the first means of refrigeration.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est apte à condenser au moins une des impuretés choisi parmi les hydrocarbures lourds, les 15 composés organiques oxygénés, les métaux lourds, plus particulièrement le mercure ou leurs sels. 2. Device according to Claim 1, characterized in that the first refrigeration means is adapted to condense at least one of the impurities selected from heavy hydrocarbons, 15 oxygenated organic compounds, heavy metals, particularly mercury or salts thereof.
  3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération comprend un échangeur en acier carbone ou inox. 3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first refrigeration means comprises a carbon steel or stainless exchanger.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est un échangeur tubulaire. 4. Device according to claim 3, characterized in that the first refrigeration means is a tubular heat exchanger.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est 25 un échangeur à plaques en acier. 5. Device according to claim 3, characterized in that the first refrigeration means 25 is a steel plate exchanger.
  6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier moyen de réfrigération est un échangeur de diamètre de passage équivalent > 10 mm. 6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the first means of refrigeration is an equivalent passage diameter exchanger> 10 mm. 30 30
  7. 7. Procédé de réfrigération d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux, plus 20particulièrement le mercure ou leurs sels, mettant en oeuvre un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, et comprenant : - un premier refroidissement du flux gazeux à une première température Ti < 0°C à l'aide du premier moyen de réfrigération ; 7. A method of cooling a gas stream comprising CO2 and at least one impurity selected from heavy hydrocarbons, oxygenated organic compounds, metals, more 20particulièrement mercury or salts thereof, using a device according to one of claims 1 to 6, and comprising: - a first cooling of the gas stream at a first temperature Ti <0 ° C using the first refrigeration means; et - un deuxième refroidissement du flux gazeux, déjà refroidi lors du premier refroidissement, à une température T2 telle que T2 < Ti et T2 < -30°C à l'aide du deuxième moyen de réfrigération. and - a second cooling of the gas stream, already cooled in the first cooling, at a temperature T2 such that T2 <Ti and T2 <-30 ° C using the second means of refrigeration.
  8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lors du premier refroidissement au 10 moins une impureté est au moins partiellement supprimée par condensation et/ou solidification. 8. A method according to claim 7, characterized in that during the first cooling 10 least one impurity is at least partially removed by condensation and / or solidification.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit procédé comprend une séparation de phase entre le premier et le second refroidissement. 9. A method according to claim 8, characterized in that said method comprises a phase separation between the first and second cooling. 15 15
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la teneur en mercure dans le flux gazeux entrant dans le deuxième moyen de réfrigération est inférieure à 1 gg/Nm3, de préférence inférieure à 0,1 gg/Nm3 10. The method of claim 9, characterized in that the mercury content of the incoming gas stream in the second refrigeration means is less than 1 gg / Nm3, preferably less than 0.1 gg / Nm3
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le flux gazeux 20 correspond à des fumées d'oxycombustion. 11. A method according to one of claims 7 to 10, characterized in that the gas stream 20 corresponds to oxyfuel combustion fumes.
  12. 12. Procédé de purification par distillation cryogénique d'un flux gazeux comprenant du CO2 et au moins une impureté choisie parmi les hydrocarbures lourds, les composés organiques oxygénés, les métaux, plus particulièrement le mercure ou leurs sels, comprenant : 25 a) une étape de compression du flux gazeux à une pression supérieure à 10 bar abs ; 12. A method of purification by cryogenic distillation of a gas stream comprising CO2 and at least one impurity selected from heavy hydrocarbons, oxygenated organic compounds, metals, in particular mercury or salts thereof, comprising: 25 a) a step compressing the gas stream to a greater than 10 bar abs pressure; b) une étape de réfrigération du flux gazeux comprimé réalisée selon le procédé de réfrigération tel que défini dans l'une des revendications 7 à 11 ; b) a cooling step of the compressed gas stream produced according to the chilling process as defined in one of claims 7 to 11; c) une étape de distillation cryogénique du flux gazeux comprimé et refroidi ; c) a cryogenic distillation step the compressed gas stream and cooled; et d) une étape de récupération d'un flux gazeux, enrichi en CO2, à l'état liquide. and d) a step for recovering a gas stream enriched in CO2, in the liquid state.
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