FR3076893A3 - Procédé de démarrage d’un compresseur d’une unité de purification de CO2 - Google Patents

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Abstract

Dans une unité de purification de CO2 comprenant un compresseur ayant des premiers étages et des deuxièmes étages tous sur le même arbre (C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8) un sécheur (S), un appareil (CPU) de purification par condensation partielle et/ou distillation, des moyens pour envoyer un gaz humide (1) contenant du CO2 aux premiers étages (C1, C2, C3, C4), des moyens pour envoyer le gaz humide (3) des premiers étages au sécheur, des moyens pour envoyer le gaz séché (7) à l’appareil de purification, des moyens pour envoyer au moins un gaz (9, 11) enrichi en CO2 de l’appareil de purification aux deuxièmes étages (C5, C6, C7, C8) du compresseur, pour démarrer l’unité, on envoie le gaz humide aux premiers étages et on envoie uniquement un gaz sec (13) provenant d’une source extérieure aux deuxièmes étages. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de démarrage d’un compresseur d’une unité de purification de CO2 [0001] La présente invention concerne un procédé de démarrage d’un compresseur d’une unité de purification de CO2.
[0002] En particulier, elle concerne le démarrage d’une unité de purification de CO2 équipée d’un compresseur de fumée humide et de CO2 entièrement intégré sur le même arbre.
[0003] L’accroissement de la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère est en très grande partie la cause du réchauffement global. Le CO2 d’origine humaine est essentiellement émis dans l’atmosphère par la combustion des combustibles fossiles dans les centrales thermiques et dans un certain nombre d’unités industrielles comme les cimenteries, les unités de production d’hydrogène ou encore les unités de production d’acier.
[0004] Dans le cadre de la réduction des émissions de gaz à effet de serre et/ou de la production de CO2 utilisé pour la récupération assistée du pétrole, une unité de capture et de purification du CO2 par voie cryogénique peut être employée an aval des installations émettrices de CO2. Les fumées dont il est question proviennent d’une combustion, c'est-à-dire par exemple d’une chaudière brûlant un ou plusieurs combustibles avec comme comburant de l’air et/ou des mélanges plus riche en oxygène que l’air.
[0005] Selon un cas particulier, le ou les comburants sont de l’oxygène pur à au moins 99% en volume. Les fumées à traiter sont au moins une partie des fumées générées par la combustion. Une partie des fumées générées peut être recyclée ou ne pas être traitée, ou être traitée dans une autre unité de traitement.
[0006] Le procédé de traitement des fumées enrichies en CO2 implique une étape de compression avant purification et capture du CO2. Suivant les applications, le CO2 peut être enfoui dans des couches géologiques ou piège lors de son injection dans des puits d'hydrocarbures favorisant ainsi la valorisation des puits d'hydrocarbures. Cette utilisation finale du CO2 produit nécessite également une compression de ce CO2 à haute pression dans le domaine supercritique.
[0007] Une bonne manière d'optimiser les coûts d'investissements est d'envisager le couplage des fonctions de compression des fumées avec celle du CO2 produit.
[0008] Les roues de compression dédiées à ces fonctions sont alors entraînées par le même arbre.
[0009] Les phases transitoires telle que le démarrage de ce compresseur a deux sections (l’une traitant les fumées, l'autre traitant le CO2) sont complexifiées et nécessitent une réflexion appropriée.
[0010] Selon un objet de l’invention, il est prévu un procédé de démarrage d’un compresseur d’une unité de purification de CO2 comprenant un compresseur ayant des premiers étages et des deuxièmes étages tous sur le même arbre, un sécheur, un appareil de purification par condensation partielle et/ou distillation, des moyens pour envoyer un gaz humide contenant du CO2 aux premiers étages, des moyens pour envoyer le gaz humide des premiers étages au sécheur, des moyens pour envoyer le gaz séché à l’appareil de purification, des moyens pour envoyer au moins un gaz enrichi en CO2 de l’appareil de purification aux deuxièmes étages du compresseur caractérisé en ce que pour démarrer l’unité, on envoie le gaz humide aux premiers étages et on envoie uniquement un gaz sec provenant d’une source extérieure aux deuxièmes étages.
[0011] Eventuellement pendant le démarrage on détend le gaz sec comprimé dans les deuxièmes étages et on le recomprime dans les deuxièmes étages.
[0012] [fig.l] décrit un exemple de cette configuration de machine en deux sections avec les vannes nécessaires: les premiers étages de compression Cl, C2, C3, C4 traitant les fumées humides enrichies en CO2, les derniers étages C5, C6, C7, C8 comprimant le CO2 depuis la basse pression jusqu’à des niveaux supercritiques.
[0013] Un gaz 1 constitué par des fumées provenant par exemple d’une (oxy)combustion ou un autre gaz humide riche en dioxyde de carbone est filtré par une filtre F puis comprimé par un ventilateur à induction V. Le gaz du ventilateur peut être envoyé à l’air par une vanne V9. Le gaz comprimé par le ventilateur V est comprimé par quatre premiers étages Cl, C2, C3, C4 d’un compresseur. Après passage dans une vanne d’isolation V10 le gaz 3 est séché dans un sécheur 3 et envoyé comme gaz sec 7 à une unité de purification cryogénique CPU. L’appareil CPU produit au moins un, ici deux gaz riches en CO2 9,11 par distillation et/ou par condensation partielle. Le gaz 9 passe par une vanne d’isolation VI et ensuite est comprimé dans les derniers étages C5, C6, C7, C8 du compresseur. Le gaz comprimé passe par une vanne d’isolation et de pressurisation V3 et ensuite par un refroidisseur E8.
[0014] Le gaz refroidi 15 est condensé dans un condenseur C et ensuite pressurisé par une pompe P pour produire du CO2 liquide à haute pression. Le gaz 9 est envoyé en aval de l’étage de compression C5 et en amont de l’étage C6.
[0015] Partie Sèche (Production) [0016] L’intégration du compresseur de fumée humide Cl, C2, C3, C4 et du CO2 sec C5, C6, C7, C8 sur la même machine est une innovation majeure qui permet un gain significatif sur l’installation de l’unité mais qui complexifie la séquence de démarrage classique « bloc technologique par bloc technologique ». Le premier problème à résoudre est dès lors de démarrer la partie compresseur CO2 sec alors que l’unité ne délivre pas de CO2 puisque la partie cryogénique n’est pas encore en fonctionnement.
En effet lors du démarrage, les deux sections vont se mettre en mouvement et l’absence de gaz en entrée du compresseur de CO2 risque d’entraîner un rapide déclenchement de la machine sur pression basse.
[0017] Pour éviter cela, il est nécessaire d’injecter un gaz 13 dans la partie compression produit en fermant les vannes d’isolation VI, V3 amont et aval. Il est préférable de pressuriser à une pression suffisamment haute pour limiter la chute de pression à l’aspiration durant le démarrage, cela peut être effectué à travers une action manuelle sur la vanne. Cette pression est à définir avec le fournisseur puisqu’une limite de pression haute sera présente dans les prêts à démarrer de la machine afin de limiter les forces sur les exercée sur les paliers de butée durant le démarrage). Ce gaz pourra être entièrement recyclé à travers une vanne V5 de recyclage durant tout le temps nécessaire pour démarrer le bloc de purification cryogénique CPU.
[0018] La disposition décrite ci-dessus peut être complétée par deux dispositifs : • Dans les cas où l’on ne dispose pas de gaz utilité 13 à une pression suffisamment élevée, la vanne V2 permettant l’injection de ce gaz devra être associé à un contrôleur de pression PI à l’aspiration de l’étage Cl avec un point de consigne aussi haut que possible. Il devra alors rester en contrôle durant toute cette opération. De plus, la durée de démarrage dure plusieurs heures, et il s’avérera alors nécessaire de compenser les fuites qui pourraient conduire à un mauvais fonctionnement sur pression basse à l’aspiration du compresseur de CO2. • Au moment du démarrage, la machine risque de soutirer soudainement le gaz sec 13 du réseau d’où il provient, ce qui peut entraîner une chute de pression non souhaité et pénaliser les autres utilisateurs. • Dans ce cas, il est possible d’équiper la machine d’un artifice de démarrage à fréquence variable (en anglais « type LCI soft starter »).
[0019] L’idée la plus simple serait de stocker du CO2 liquide durant le fonctionnement de l’unité mais cela nécessiterait l’installation d’un stockage et d’un vaporiseur et cela poserait un problème lors du premier démarrage ou si le stockage est vide après plusieurs déclenchements successifs. Compte tenu que ce type d’usine est développé pour réaliser une « oxycombustion », elle doit être connectée à au moins une source de gaz riche en oxygène apte qui est destiné à servir de comburant. Pour cela, une Unité de Séparation de l’Air est typiquement installée à proximité pour fournir l’oxygène nécessaire pour la chaudière. Dans ce cas, l’unité disposera aussi de gaz utilité 13 tel que l’air instrument (sec) ou l’azote pur ou impur selon les besoins du site qui pourront être utilisé dans cette phase.
[0020] D’autres gaz pourraient être utilisés selon les disponibilités du site mais il est recommandé d’utilisé un gaz sec afin d’optimiser les coûts des matériaux de cette section et d’éviter les matériaux dit « noble ». La présence d’eau et de CO2peut entraîner la formation d’acide carbonique nuisibles aux matériaux tel que l’acier carbone par exemple et la condensation puis l’accumulation de ces gouttelettes d’eau acide nécessiterait l’installation de pots séparateurs additionnels.
[0021] Le second problème majeur rencontré durant ce démarrage est la pressurisation du réseau aval en CO2, qui peut entraîner la solidification de ce CO2 et ainsi bloquer la séquence de démarrage, si elle n’est pas exécutée de la manière appropriée. La configuration présentée ici propose d’installer une vanne en amont de l’échangeur final du compresseur de CO2 afin de remplir un double rôle : • Permettre une pressurisation avec un gaz chaud de la partie aval « compression finale ». En effet dans son état supercritique, la détente d’un gaz riche en CO2 à une pression partielle de CO2 inférieure à 5.18 bara à la sortie de l’échangeur final aurait pour conséquence la solidification du CO2 entraînant un risque pour les machines en mouvement et un risque d’érosion pour les tuyaux. Ce point est critique pour la suite du démarrage car la pressurisation du réseau en aval est ici une étape obligatoire avant de pouvoir envoyer le CO2 dans la canalisation.
[0022] Suite à une longue période d’arrêt par exemple, la pression pourrait être retombée à la pression atmosphérique, et l’ouverture soudaine dans le réseau pourrait endommager les équipements aval par coup de bélier et/ou faire déclencher le compresseur. • De plus, cette vanne V3 permet d’isoler le compresseur et ainsi limiter la quantité de gaz d’injection nécessaire pour démarrer la partie sèche [0023] Ainsi avant le démarrage de la machine cette vanne d’isolation/pressurisation V3 doit être fermée et peut être ouverte lorsque la machine a basculé du fonctionnement gaz sec à dioxyde de carbone. De même la vanne de mise à l’air V4 de cette section doit rester fermée durant toute la phase démarrage au gaz sec 13 et peut être basculée ouverte lorsque la machine commence à recevoir du gaz riche en CO2 de la partie purification cryogénique CPU. De même que pour la vanne de pressurisation, la vanne V4 et la vanne V5 sont placées en amont de l’échangeur final de l’étage C8 pour éviter les risques de formation de neige carbonique et l’accumulation de froid.
[0024] Partie Humide (Fumée) [0025] De plus, selon l’unité de combustion, le débit des fumées peut atteindre des valeurs très élevées et l’un des problèmes techniques rencontrés consiste à devoir piloter l’écoulement de la cheminée vers l’unité de traitement avec un minimum de perturbation sur la pression dans l’unité de combustion. En effet, compte tenu des pressions de fonctionnement très proches de la pression atmosphérique de la partie amont, il est primordial d’éviter toute surpression ou dépression qui serait associée à un risque d’arrêt de l’unité de combustion, certains seuils de sécurité ayant été franchis. Ce problème pourrait classiquement être résolu à l’aide de vannes, l’une d’isolation entrée V9 de la cheminée d’évacuation que l’on fermerait au moment de démarrer l’appareil de purification CPU, et l’une V6 à l’entrée du CPU que l’on ouvrirait avant de démarrer la partie compresseur. Malheureusement, ces ouvertures ou fermetures de vannes prennent un certain temps, en particulier pour des vannes de gros diamètre.
[0026] En outre, ces ouvertures ou fermetures ne sont pas forcément idéalement synchronisées. Ceci peut créer des perturbations importantes dans l’écoulement des fumées, notamment une surpression en sortie de l’unité de combustion.
[0027] Pour éviter ce phénomène, avant le démarrage du compresseur, un ventilateur à induction V l’entrée du compresseur Cl permet de tirer les fumées et de les repousser directement en entrée du compresseur tout en les évacuant à l’aide d’une ligne de mise à l’air reliée à la cheminée. La vanne d’isolation de la cheminée V9 reste alors ouverte et agit comme déversoir mais la grande majorité des fumées sont néanmoins aspirées vers la CPU par l’effet « d’induction ».
[0028] En général, on conduit les fumées par un système de canalisations qui comprend notamment des tuyaux ou des canaux. Le diamètre hydraulique de ces éléments peut aller jusqu’à quelques mètres dans le cas d’une centrale électrique. Ainsi en utilisant ce réseau avant de démarrer le compresseur, cela va nous permettre de bénéficier de l’effet tampon de tout le système de canalisation entre l’unité de traitement et la cheminée.
[0029] De plus, en pressurisant le compresseur de CO2 humide à la pression la plus élevée possible par le ventilateur d’induction avant le démarrage, on s’assure que la machine tirera alors le débit progressivement de la V9 sortie ventilateur d’induction V vers le compresseur sans atteindre une brusque pression basse à l’aspiration qui pourrait potentiellement déclencher le ventilateur V sur pression basse, ou déclencher le compresseur et sans aucun doute perturber la pression du réseau amont. La fermeture rapide de la vanne V9 du ventilateur d’induction V (sur mesure de pression à l’aspiration), et l’ouverture progressive de la vanne V6 du compresseur (sur mesure de pression à la sortie) vont permettre un démarrage quasi-transparent pour la chaudière d’où provient le gaz 1.

Claims (1)

  1. Revendications [Revendication 1] Procédé de démarrage d’un compresseur d’une unité de purification de CO2 comprenant un compresseur ayant des premiers étages et des deuxièmes étages tous sur le même arbre (Cl, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8) un sécheur (S), un appareil (CPU) de purification par condensation partielle et/ou distillation, des moyens pour envoyer un gaz humide (1) contenant du CO2 aux premiers étages (Cl, C2, C3, C4), des moyens pour envoyer le gaz humide (3) des premiers étages au sécheur, des moyens pour envoyer le gaz séché (7) à l’appareil de purification, des moyens pour envoyer au moins un gaz (9, 11) enrichi en CO2 de l’appareil de purification aux deuxièmes étages (C5, C6, C7, C8) du compresseur caractérisé en ce que pour démarrer l’unité, on envoie le gaz humide aux premiers étages et on envoie uniquement un gaz sec (13) provenant d’une source extérieure aux deuxièmes étages. [Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 dans lequel pendant le démarrage on détend le gaz sec comprimé dans les deuxièmes étages (C5, C6, C7, C8) et on le recomprime dans les deuxièmes étages. [Revendication 3] Procédé selon la revendication 2 dans lequel on détend le gaz sec jusqu’à la pression d’entrée des deuxièmes étages (C5, C6, C7, C8).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR3130637A1 (fr) * 2021-12-21 2023-06-23 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procédé de traitement d’une fumée contenant du dioxyde de carbone

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WO2023117655A1 (fr) * 2021-12-21 2023-06-29 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procédé de traitement d'une fumée contenant du dioxyde de carbone

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