FR2954459A1 - Unite de combustion de combustible carbone et procede d'operation d'une unite de combustion de combustible carbone - Google Patents

Unite de combustion de combustible carbone et procede d'operation d'une unite de combustion de combustible carbone Download PDF

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Abstract

Une unité de combustion de combustible carboné comprend un appareil de combustion (1), un appareil de séparation d'air (2), des moyens pour envoyer un gaz riche en oxygène (10) de l'appareil de séparation d'air à l'appareil de combustion, des moyens pour envoyer un combustible carboné (14) à l'appareil de combustion, des moyens (7) pour traiter un gaz résiduaire de l'appareil de combustion et des moyens pour envoyer un gaz riche en dioxyde de carbone (22) à l'appareil de combustion au moins pendant le démarrage.

Description

La présente invention est relative à une unité de combustion de combustible carboné et à un procédé d'opération d'une unité de combustion de combustible carboné. Les émissions atmosphériques d'une unité de fonctionnant à l'oxygène (« oxy-combustion ») dont les fumées (essentiellement composées de CO2 et d'eau) sont capturées dans une unité de compression et purification du CO2 sont virtuellement nulles. D'après l'art antérieur, il est connu de traiter des fumées, par exemple pour réduire les NOx par réduction sélective catalytique (SCR) ou pour réduire le soufre, (typiquement un lavage au calcaire (CaCO3)) si celle-ci n'est pas requise spécifiquement pour protéger la chaudière elle-même, en raison du recyclage des fumées dans la chaudière. Les économies ainsi réalisées concernent les coûts opératoires (ammoniaque pour le SCR, calcaire pour le lavage, traitement des effluents générés tels que le gypse pour le lavage au calcaire) et l'investissement de ces unités. En revanche, les procédés d'oxycombustion démarrent en étant alimentés par de l'air, l'alimentation en oxygène prenant la place de l'air progressivement, une fois les unités de la boucle de recyclage des fumées en opération (ventilateurs, unités de dépoussiérage, broyeur et injecteurs de charbon, etc). Ce faisant, pendant une durée non nulle, les fumées ne contiendront plus au moins 50% en base molaire de CO2 et ne pourront pas être traitées dans l'unité de purification et de compression du CO2. La séparation des NOx et du soufre qui y est effectuée, ou encore la co- séquestration de ces impuretés avec le CO2 n'étant pas opérantes, il convient de traiter cette source de pollution. Ceci pourrait être fait en des équipements spécifiques pour gérer les NOx et SOX de fumées pauvres en CO2 (lavage basique, oxydation catalytique, réduction catalytique...), en utilisant les méthodes traditionnelles de traitement des fumées classiques à l'air (ci- dessus). L'invention consiste à démarrer directement en alimentant la chaudière avec du CO2 en lieu et place de l'azote dans la chaudière. Ce faisant, il devient possible d'utiliser dès le démarrage les facultés de traitement des impuretés de la chaîne de compression et purification du CO2. L'invention met ainsi en oeuvre des stockages de CO2 liquide. Avant de démarrer l'appareil de production d'oxygène et la chaudière, du CO2 est vaporisé et remplit ainsi l'enceinte de la chaudière et de toute la boucle de recirculation des fumées. L'oxygène est injecté petit à petit dans cette boucle où le mélange est mis en circulation à l'aide des ventilateurs. Lorsque le mélange le permet, les broyeurs de charbon sont actionnés et une partie des « fumées artificielles » (« artificielles » car le CO2 provient de la vaporisation du CO2 stocké, non directement de la combustion) sert à convoyer le charbon pulvérisé vers la chaudière où il est brûlé. Lorsque des fumées sont réellement créées par la combustion, l'unité de compression et de purification du CO2 peut les traiter et assurer la séparation ou la co-séquestration des NOX et des SOX qu'elles contiennent.
Notons que les compresseurs de CO2 peuvent être démarrés à l'azote, ce dernier étant rapidement évacué lorsque les fumées sont aspirées. Une alternative est de démarrer la chaudière à l'air avec le débit de fumées le plus faible possible. Ces fumées peuvent être partiellement traitées dans l'unité de purification et de compression du CO2. En effet, les premières étapes (filtration fine des poussières, lavages des oxydes de soufre à l'eau éventuellement enrichie d'agents réducteurs ou oxydants, compression) fonctionnent correctement, que le gaz soit riche en CO2 ou en azote. Les oxydes de soufre et une part des oxydes d'azote pourront ainsi être traités. En revanche, ce qui ne sera pas séparé du mélange azote (environ 80% molaire) û CO2 (environ 20% molaire) sera émis à l'atmosphère. Cela concernera essentiellement des oxydes d'azote avec du CO2. Selon un objet de l'invention, il est prévu une unité de combustion de combustible carboné comprenant : - un appareil de combustion - un appareil de séparation d'air - des moyens pour envoyer un gaz riche en oxygène de l'appareil de séparation d'air à l'appareil de combustion - des moyens pour envoyer un combustible carboné à l'appareil de combustion - un appareil de traitement du dioxyde de carbone d'un gaz résiduaire de l'appareil de combustion pour le rendre apte à une utilisation ultérieure par changement de composition et/ou de pression et/ou de température éventuellement constitué par un appareil pour épurer en dioxyde de carbone le gaz résiduaire de l'appareil de combustion caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer un gaz riche en dioxyde de carbone à l'appareil de combustion, le gaz contenant de préférence plus que 50% molaires de dioxyde de carbone et éventuellement des moyens pour épurer le gaz résiduaire en NON et/ou en SON. L'unité comprend éventuellement : - un stockage de dioxyde de carbone liquide, un échangeur de chaleur, des moyens pour envoyer le dioxyde de carbone liquide à l'échangeur pour le vaporiser et des moyens pour envoyer le dioxyde de carbone vaporisé de l'échangeur à l'appareil de combustion ; - l'appareil de traitement du dioxyde de carbone est l'unique appareil de l'unité permettant d'éviter la mise à l'air d'oxydes d'azote et/ou d'oxyde de soufre contenus dans le ou les gaz résiduaires de l'appareil de combustion.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de combustion de combustible carboné dans lequel i) selon une marche nominale - on envoie de l'oxygène d'un appareil de séparation d'air et un combustible carboné à un appareil de combustion de combustible carboné, - on effectue une étape de combustion dans l'appareil de combustion en produisant une quantité nominale de gaz résiduaire, - on traite au moins une fraction du gaz résiduaire pour rendre possible l'utilisation ou la séquestration d'au moins une fraction du dioxyde de carbone qu'il contient, éventuellement en épurant au moins une fraction du gaz résiduaire ou un gaz qui en est dérivé en NON et/ou en SON, et ii) selon une marche de démarrage de l'appareil de combustion, avant de produire de gaz résiduaire ou en produisant une quantité de gaz résiduaire substantiellement inférieure à la quantité nominale - on envoie du dioxyde de carbone gazeux à l'appareil de combustion, - éventuellement on envoie de l'oxygène gazeux d'un appareil de séparation d'air à l'appareil de combustion, - après avoir envoyé du dioxyde de carbone gazeux et éventuellement de l'oxygène gazeux à l'appareil de combustion, la combustion commence. Eventuellement, selon une troisième marche ayant lieu après la 10 deuxième marche et avant la première marche a) on envoie de l'oxygène d'un appareil de séparation d'air mais pas de combustible carboné à un appareil de combustion de combustible carboné b) on envoie un gaz riche en dioxyde de carbone à l'appareil de combustion. 15 On peut vaporiser un débit de dioxyde de carbone provenant d'une source extérieure et l'envoyer à l'appareil de combustion pendant la deuxième et éventuellement la troisième marche. Le dioxyde de carbone envoyé à l'appareil de combustion pendant la deuxième et éventuellement la troisième marche peut être produit par recyclage 20 d'un produit de l'unité d'épuration. On peut extraire de l'oxyde d'azote et/ou de l'oxyde de soufre présent(s) dans le gaz résiduaire par au moins une des techniques suivantes : - distillation à basse température - constitution d'acide sulfurique et/ou nitrique et condensation de l'acide 25 - lavage par une solution acide ou basique neutralisant les oxydes - adsorption des oxydes d'azote et/ou de soufre On peut éliminer de l'oxyde d'azote et/ou de l'oxyde de soufre présent(s) dans le gaz résiduaire uniquement par distillation à basse température. On peut épurer en NOX et/ou en SOX le gaz résiduaire de l'appareil de 30 combustion par lavage en amont d'un appareil de distillation qui constitue l'unité d'épuration en dioxyde de carbone.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui est une vue schématique d'un appareil d'oxycombustion. En fonctionnement normal de l'appareil de combustion, qui constitue la marche nominale, un appareil de séparation d'air 2 produit un débit riche en oxygène 10 à une pureté allant de 75 à 99 % mol. et un débit d'azote résiduaire 13. Le débit riche en oxygène 10 est divisé en deux pour former deux sous débits 11 et 12. Un débit de recycle 15 passe dans l'unité de pulvérisation 3 de charbon 14. Le débit 11 est mélangé avec le débit de recycle 15 en aval de l'unité 3 et le mélange est envoyé aux brûleurs de la chaudière 1 avec le charbon pulvérisé ou un autre combustible carboné. Le débit 12 est mélangé avec un débit de recycle 16 qui alimente les brûleurs. De l'eau est envoyée à la chaudière 1 pour produire de la vapeur 18 à détendre dans la turbine 8. Le gaz résiduaire 19 constitué par les fumées de l'oxycombustion riche en CO2, typiquement contenant plus de 70 mol. % de CO2 parcourt plusieurs traitements pour éliminer les impuretés. Ces unités comprennent une unité 5 d'élimination de poussières, par exemple par filtration, une unité 6 de désulfurisation pour éliminer SO2 et/ou SO3. Les unités 5 et 6 peuvent ne pas être nécessaires selon la pureté de CO2 requis et/ou la qualité du combustible carboné. Le gaz résiduaire épuré 24 est envoyé à l'unité de compression et épuration 7 pour produire un débit riche en CO2 25 qui pourra être récupéré et un débit résiduaire 26. On notera l'absence de l'unité d'élimination des NOX habituellement placé en amont de l'unité d'élimination de poussières 5. Avant le démarrage, la chaudière 1 et de préférence l'appareil de séparation d'air 2 ne fonctionnent pas et l'oxygène ne circule pas. Du dioxyde de carbone liquide 20 provenant d'un stockage 4 est vaporisé dans une ligne d'échange 9 et envoyé à la chaudière afin de la remplir et de circuler dans la conduite 19. L'homogénéisation de la composition du gaz remplissant la chaudière et les équipements liés (traitement des fumées, gaines de transport des gaz, pulvériseurs de charbon, etc) se fera par circulation des gaz à l'aide des ventilateurs de l'installation (circuit primaire, secondaire, ou d'extraction des fumées de la chaudière), ou à l'aide d'un ventilateur dédié pour cette opération.
Ainsi, à mesure que l'on introduit du CO2 dans l'enceinte, un mélange d'air enrichi au CO2 est extrait, afin de conserver le nombre de molécules sensiblement constant dans l'enceinte constitué de la chaudière et des équipements annexes.
Le dioxyde de carbone peut provenir d'une source externe ou peut être liquéfié dans l'unité d'épuration 7 pendant la marche nominale et envoyé au stockage 4. Eventuellement le liquide de la source externe peut être vaporisé dans l'unité d'épuration pour valoriser les frigories. Ensuite l'appareil de séparation d'air démarre et de petite quantités d'oxygène 10 sont mélangées avec le dioxyde de carbone vaporisé 22, on peut aussi envisager d'utiliser de l'oxygène à partir d'un stockage liquide ou gazeux. Ces deux étapes de remplissage en CO2 et en oxygène permettent de constituer dans l'enceinte une atmosphère propice à la combustion, avec une teneur en azote réduite par rapport à l'air.
Ce système permet d'éviter la production de fumées pauvres en CO2 lors du démarrage. Les impuretés (essentiellement NOX et SOX, mais aussi métaux lourds) sont ainsi traitées et éliminées par les moyens mis en oeuvre pour le traitement des fumées d'oxy-combustion. Il n'y a pas lieu de les doubler par des moyens spécifiques pour la marche à l'air, où les fumées contiennent moins de 50% molaire de CO2. Notons qu'une façon d'éliminer les impuretés est de les stocker avec le CO2 dans le sous-sol. Elles ne polluent ainsi ni l'atmosphère ni les réseaux de condensats liquides et ne s'accumulent enfin pas sous forme solide à la surface de la terre. Dans le cas où le débit 15 n'est pas recyclé, l'unité de désulfurisation 6 peut être éliminée. Dans l'exemple l'appareil de traitement est constitué par un ou plusieurs des unités 5, 6, 7 mais il sera compris que l'appareil de traitement pourrait être constitué par un compresseur et/ou une unité de refroidissement. Dans ce cas l'appareil produirait un débit riche en dioxyde de carbone gazeux ou liquide éventuellement sous pression.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Unité de combustion de combustible carboné comprenant : - un appareil de combustion (1) - un appareil de séparation d'air (2) - des moyens pour envoyer un gaz riche en oxygène de l'appareil de séparation d'air à l'appareil de combustion - des moyens pour envoyer un combustible carboné à l'appareil de combustion - un appareil de traitement (5, 6, 7) du dioxyde de carbone d'un gaz résiduaire de l'appareil de combustion pour le rendre apte à une utilisation ultérieure par changement de composition et/ou de pression et/ou de température éventuellement constitué par un appareil pour épurer en dioxyde de carbone le gaz résiduaire de l'appareil de combustion caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (4, 20, 22) pour envoyer un gaz riche en dioxyde de carbone à l'appareil de combustion, le gaz contenant de préférence plus que 50% molaires de dioxyde de carbone et éventuellement des moyens pour épurer le gaz résiduaire en NON et/ou en SON.
  2. 2. Unité selon la revendication 1 comprenant un stockage (4) de dioxyde de carbone liquide, un échangeur de chaleur (9), des moyens (20) pour envoyer le dioxyde de carbone liquide à l'échangeur pour le vaporiser et des moyens (22) pour envoyer le dioxyde de carbone vaporisé de l'échangeur à l'appareil de combustion (1).
  3. 3. Unité selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle l'appareil de traitement du dioxyde de carbone (5, 6, 7) est l'unique appareil de l'unité permettant d'éviter la mise à l'air d'oxyde d'azote et/ou d'oxyde de soufre contenus dans le ou les gaz résiduaires de l'appareil de combustion
  4. 4. Procédé de combustion de combustible carboné dans lequel : i) selon une marche nominale30- on envoie de l'oxygène d'un appareil de séparation d'air (2) et un combustible carboné à un appareil de combustion de combustible carboné (1), - on effectue une étape de combustion dans l'appareil de combustion en produisant une quantité nominale de gaz résiduaire, - on traite au moins une fraction du gaz résiduaire pour rendre possible l'utilisation ou la séquestration d'au moins une fraction du dioxyde de carbone qu'il contient, éventuellement en épurant au moins une fraction du gaz résiduaire ou un gaz qui en est dérivé en NON et/ou en SON, et ii) selon une marche de démarrage de l'appareil de combustion, avant de produire de gaz résiduaire ou en produisant une quantité de gaz résiduaire substantiellement inférieure à la quantité nominale - on envoie du dioxyde de carbone gazeux (22) à l'appareil de combustion (1), - éventuellement on envoie de l'oxygène gazeux d'un appareil de séparation d'air à l'appareil de combustion, - après avoir envoyé du dioxyde de carbone gazeux et éventuellement de l'oxygène gazeux à l'appareil de combustion, la combustion commence.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel selon une troisième marche ayant lieu après la deuxième marche et avant la première marche a) on envoie de l'oxygène d'un appareil de séparation d'air (2) mais pas de combustible carboné à un appareil de combustion de combustible carboné (1) b) on envoie un gaz riche en dioxyde de carbone à l'appareil de combustion
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5 dans lequel on vaporise un débit de dioxyde de carbone provenant d'une source extérieure (4) et on l'envoie à l'appareil de combustion pendant la deuxième et éventuellement la troisième marche.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5 dans lequel le dioxyde de carbone envoyé à l'appareil de combustion pendant la deuxième et éventuellement la troisième marche est produit par recyclage d'un produit de l'unité de traitement (5, 6, 7).
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6 dans lequel on extrait de l' oxyde d'azote et/ou de l'oxyde de soufre présent(s) dans le gaz résiduaire par au moins une des techniques suivantes : - distillation à basse température. - constitution d'acide sulfurique et/ou nitrique et condensation de l'acide - lavage par une solution acide ou basique neutralisant les oxydes - adsorption des oxydes d'azote et/ou de soufre 12. Procédé selon la revendication 7 dans lequel on élimine de l'oxyde 15 d'azote et/ou de l'oxyde de soufre présent(s) dans le gaz résiduaire uniquement par distillation à basse température. 13. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9 dans lequel on épure en NOX et/ou en SOX le gaz résiduaire de l'appareil de combustion par lavage 20 en amont d'un appareil de distillation (7) qui constitue l'unité d'épuration en dioxyde de carbone.
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