FR3130637A1

FR3130637A1 - Procédé de traitement d’une fumée contenant du dioxyde de carbone

Info

Publication number: FR3130637A1
Application number: FR2114055A
Authority: FR
Inventors: Marine Andrich; Jean-Marc Peyron; Bhadri Prasad; Ludovic Granados; Olivier De Cayeux
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-06-23
Also published as: WO2023117655A1; KR20240127375A

Abstract

L’invention concerne un procédé de traitement d’une fumée produite dans au moins une unité amont (2) fonctionnant à une pression de fonctionnement nominale, cette fumée contenant de 5% à 90% molaire de dioxyde de carbone (CO2) en base humide et étant à une pression comprise entre 0.5 et 2 bar absolu, préférentiellement entre 0.9 et 1.1 bar absolu, ce procédé comportant les étapes suivantes : traiter par au moins une unité aval de traitement (3) la totalité ou la quasi-totalité du courant de fumée provenant de l’unité amont ou des unités amont, pour produire, à partir de ladite fumée, un courant gazeux ou liquide riche en CO2 qui contient plus de 50% molaire, de préférence plus de 75%, voire plus de 95% molaire de CO2, permettre que le courant de fumée communique, entre l’unité amont et l’unité aval, via une ligne de sortie (24), avec une cheminée (22) débouchant sur l’atmosphère, et cette ligne de sortie est laissée ouverte ou partiellement ouverte en fonctionnement nominal de sorte à permettre d’équilibrer la pression dans le courant de fumée à la pression atmosphérique. Figure d’abrégé : Fig. 2

Description

Procédé de traitement d’une fumée contenant du dioxyde de carbone

La présente invention porte sur un procédé de traitement d’une fumée contenant du dioxyde de carbone.

L’hydrogène est un vecteur énergétique qui joue un rôle croissant dans la décarbonation de différents secteurs, notamment les transports et l’industrie. L’hydrogène peut être produit à partir de la réaction de reformage du gaz naturel (dans des fours SMR – « Steam Methane Reforming » ou reformage de méthane à la vapeur d’eau) ou par électrolyse de l’eau. L’électrolyse de l’eau a l’avantage de ne pas produire de gaz à effet de serre mais consomme beaucoup d’électricité (décarbonée si possible). Dans les SMR, la production d’hydrogène s’accompagne d’une production importante de CO2. Une unité de capture CO2 peut être ajoutée à un SMR afin de réduire l’empreinte carbone de la production d’hydrogène par SMR. La capture de CO2 (e.g. traitement et liquéfaction CO2 pour usage alimentaire ou pour séquestration) peut être réalisée par voie cryogénique ou par voie non cryogénique (par exemple, lavage aux amines).

Les fumées sont extraites du four SMR via une conduite et traversent ensuite un certain nombre d’échangeurs dont le but est de récupérer une partie de la chaleur des fumées, puis les fumées sont aspirées par une soufflante (ou “blower” en anglais) et envoyées via une cheminée (ou “stack” en anglais) vers l’air extérieur. Dans ce cas, il n’y a pas de capture de CO2.

Lorsqu’on connecte une unité de traitement ou de capture CO2 en sortie d’un SMR, il est important de garantir que des perturbations sur l’unité aval n’engendrent pas de mode défaut du SMR en amont. De plus, dans le cas où plusieurs SMR sont connectés à une même unité aval de traitement, une perturbation ou le mode défaut d’un SMR ne doit pas engendrer le mode défaut des autres SMR. Sur un SMR sans capture CO2, la pression en aval de la soufflante est imposée par la pression atmosphérique du fait que la soufflante est reliée fluidiquement à l’air extérieur via la cheminée. Cette pression est donc stable et permet un contrôle fin par la soufflante de la pression dans le four SMR.

Il existe un besoin pour traiter la quasi-totalité de la fumée sortant par exemple d’un SMR, notamment pour réduire l'empreinte carbone des unités industrielles produisant une fumée contenant du CO2.

L’invention a ainsi pour objet un procédé de traitement d’une fumée produite dans au moins une unité amont fonctionnant à une pression de fonctionnement nominale, cette fumée contenant de 5% à 90% molaire de dioxyde de carbone (CO2) en base humide et étant à une pression comprise entre 0.5 et 2 bar absolu, préférentiellement entre 0.9 et 1.1 bar absolu, ce procédé comportant les étapes suivantes :

traiter par au moins une unité aval de traitement la totalité ou la quasi-totalité du courant de fumée provenant de l’unité amont ou des unités amont, pour produire, à partir de ladite fumée, un courant gazeux ou liquide riche en CO2 qui contient plus de 50% molaire, de préférence plus de 75%, voire plus de 95% molaire de CO2,
permettre que le courant de fumée communique, entre l’unité amont et l’unité aval, via une ligne de sortie, avec une cheminée débouchant sur l’atmosphère, et cette ligne de sortie est laissée ouverte ou partiellement ouverte en fonctionnement nominal de sorte à permettre d’équilibrer la pression dans le courant de fumée à la pression atmosphérique.

Dans la présente invention, traiter la totalité ou la quasi-totalité du courant de fumée signifie traiter au moins 90%, de préférence au moins 95%, voire au moins 97% des fumées.

Il faut comprendre par « cette ligne de sortie est laissée ouverte ou partiellement ouverte » soit la situation dans laquelle un dispositif de vanne, présent sur la ligne de sortie, est laissé ouvert ou partiellement ouvert, soit la situation dans laquelle aucun dispositif de vanne n’est prévu sur la ligne de sortie, ce qui signifie que la ligne de sortie est ouverte en permanence.

Selon l’un des aspects de l’invention, le procédé comporte les étapes suivantes :

détecter au moins une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont, cette information de prédiction étant différente d’une mesure de pression, de débit ou de composition globale des fumées,
réguler le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval de traitement en fonction de cette information de prédiction à l’aide d’un dispositif de vanne pour le passage de la fumée et/ou d’un dispositif élévateur de la pression disposé entre l’unité amont et l’unité aval ou au sein de l’unité aval.

L’information de prédiction peut être par exemple la mesure d’une concentration de O2 dans la fumée, cette mesure n’étant pas une mesure de composition globale. L’information de prédiction peut être un débit des différents gaz entrant dans l’unité amont qui représentent au moins 80% de la totalité des gaz entrant dans l’unité amont.

Ces fumées peuvent provenir d’un reformeur SMR, d’une cimenterie, d’une unité d’oxycombustion, ou une usine de chaux par exemple.
Dans l’invention, le dispositif de vanne désigne généralement un dispositif de section de passage variable, notamment pour la fumée.

Selon l‘un des aspects de l’invention, un dispositif de vanne est disposé :

sur la ligne de sortie qui communique entre la cheminée et une ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unité aval, ou
sur une ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unité aval, ou
dans la cheminée,

ce dispositif de vanne étant agencé pour être ouvert ou partiellement ouvert et le dispositif de vanne comporte une vanne qui est par exemple une vanne papillon telle qu’une vanne papillon de type Damper.

Dans une variante, il est possible de ne prévoir aucune vanne, notamment dans le cas où la ligne de circulation entre l’unité amont et l’unité aval peut être totalement en communication avec l’atmosphère.

Selon l‘un des aspects de l’invention, le dispositif de vanne est agencé pour avoir une ouverture comprise entre 5% et 100% de l’ouverture maximale permise par le dispositif de vanne.

Ceci permet de prendre en compte une petite perturbation de l’unité amont en ayant le temps d’ajuster la régulation des débits, dans le but de minimiser les entrées d’O2 ou sortie de fumées en restreignant la ligne, grâce au dispositif de vanne, tout en étant connecté à l’atmosphère pour maintenir une pression stable. L’invention permet ainsi de lisser les perturbations car l’unité aval peut être une machine puissante qui naturellement a de l'inertie pour suivre des variations rapides.

Selon l‘un des aspects de l’invention, sont prévus un dispositif élévateur de pression, notamment placé dans l’unité aval, capable d’élever la pression du courant gazeux de fumée, le dispositif élévateur de pression comportant notamment un compresseur ou une soufflante.

Selon l‘un des aspects de l’invention, le compresseur ou la soufflante est de type à aubage variable, permettant de modifier l'inclinaison des pales du compresseur ou de la soufflante pour ajuster le débit ou pression.

Selon l’un des aspects de l’invention, la vitesse de rotation de ce compresseur ou de cette soufflante est contrôlable par une unité de contrôle notamment pour être augmentée, respectivement diminuée, pour réguler le débit de fumée dans le sens d’une augmentation, respectivement d’une diminution.

L’aubage variable peut comporter une pluralité d’aubes de guidage configurées pour dévier l’écoulement de la phase gazeuse dans la ligne de circulation et ces aubes de guidage sont réglables en inclinaison par rapport à un axe pour déterminer la pression du fluide qui traverse cet aubage variable.

Selon l‘un des aspects de l’invention, le procédé comporte les étapes suivantes :

mesurer au moins un débit de gaz entrant dans l’unité amont, notamment le débit des différents gaz entrant dans l’unité amont qui représentent au moins 80% de la totalité des gaz entrant dans l’unité amont, ces débits mesurés faisant partie d’une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont,
réguler le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval en fonction de l’information de prédiction que sont ce ou ces débits mesurés, notamment en augmentant le débit de fumée sortant de l’unité amont en aspirant davantage la fumée, notamment en augmentant la section de passage d’un dispositif de vanne et/ou en augmentant la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou en modifiant la position d’un aubage variable du compresseur ou de la soufflante.

mesurer une ou plusieurs concentrations en oxygène dans le débit de fumée, ou une différence de concentration en oxygène entre l’entrée de l’unité aval et la sortie de l’unité amont, et/ou
mesurer une ou plusieurs températures de l’air dans la cheminée ou provenant de la cheminée,
déterminer, à partir de ces mesures, si de l’air provenant de l’atmosphère s’ajoute au débit de fumée, ou si de la fumée s’échappe dans l’atmosphère par la cheminée,
réguler le débit de fumée pour éviter cet ajout d’air dans le débit de fumée ou éviter que de la fumée ne s’échappe dans l’atmosphère.

Pour réduire la quantité d’air entrant dans l’unité aval, la régulation consiste notamment à diminuer la section de passage d’un dispositif de vanne et/ou à réduire la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou à modifier la position de l’aubage variable du compresseur ou de la soufflante. Pour réduire la quantité de fumée qui s’échappe dans l’atmosphère, la régulation consiste notamment à augmenter la section de passage d’un dispositif de vanne et/ou à augmenter la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou à modifier la position de l’aubage variable.

Selon l‘un des aspects de l’invention, il est pris en compte un mode défaut ou une perturbation ou une alarme du dispositif amont pour réguler le débit de fumée arrivant dans l’unité aval de traitement, une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont étant alors la détection ce mode défaut ou cette perturbation ou cette alarme.

Selon l‘un des aspects de l’invention, l’unité amont de traitement comporte un dispositif d’adsorption par modulation de pression, ou en anglais « Pressure Swing Adsorption » (PSA), et il est pris en compte un mode défaut ou une perturbation ou une alarme de ce dispositif PSA pour réguler le débit de fumée arrivant dans l’unité aval de traitement, une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont étant alors la détection ce mode défaut ou cette perturbation ou cette alarme.

Selon l‘un des aspects de l’invention, l’unité amont ou l’une au moins des unités amont est une unité de reformage de méthane à la vapeur d’eau (SMR).

Selon l‘un des aspects de l’invention, l’unité aval comporte une ou plusieurs unités de purification du CO2 par voie cryogénique, ou une unité ou plusieurs unités de lavage aux amines.

Selon l‘un des aspects de l’invention, les unités amont et unités aval sont connectées à un même réseau de fumée.

Selon l’un des aspects de l’invention, le procédé comporte les étapes suivantes:

traiter par une unité aval de traitement la totalité ou la quasi-totalité du courant de fumée provenant de l’unité amont ou des unités amont, pour produire, à partir de ladite fumée, un courant gazeux ou liquide riche en CO2 qui contient plus de 50% molaire, de préférence plus de 75% voire 95% molaire de CO2,
détecter une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont,
réguler le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval de traitement en fonction de cette information de prédiction.

L’invention permet, grâce à cette régulation de débit de la fumée, d’agir sur la pression de fonctionnement de l’unité amont et/ou d’agir sur la proportion de fumée qui est traitée par l’unité aval, comme cela est expliqué plus bas.

Comme la quasi-totalité de la fumée sortant de l’unité amont est traitée dans l’unité aval, le débit de fumée a un impact sur le fonctionnement de l’unité amont, notamment avec un risque d’avoir des modes défaut de l’unité amont. L’invention permet ainsi d’éviter ce type de déclenchement de mode défaut, pouvant conduire à un arrêt non souhaité de l’unité amont. L’invention propose ainsi d’utiliser une anticipation rendue possible grâce à l’information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont.

mesurer au moins un débit de gaz entrant dans l’unité amont, notamment le débit des différents gaz entrant dans l’unité amont qui représentent au moins 80% de la totalité des gaz entrant dans l’unité amont, ces débits mesurés faisant partie de l’information de prédiction,
réguler le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval en fonction de ce ou ces débits mesurés, notamment en augmentant le débit de fumée sortant de l’unité amont en aspirant davantage la fumée.

Selon l’un des aspects de l’invention, sont prévus un dispositif élévateur de pression capable d’élever la pression du courant gazeux de fumée entre l’unité amont et l’unité aval et/ou un dispositif de vanne disposé entre l’unité amont et l’unité aval et ayant une section de passage variable pour le courant de fumée, pour réguler le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval.

Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif élévateur de pression comporte un compresseur ou une soufflante et la vitesse de rotation de ce compresseur ou de cette soufflante est contrôlable par une unité de contrôle notamment pour être augmentée, respectivement diminuée, pour réguler le débit de fumée dans le sens d’une augmentation, respectivement d’une diminution.

Le fait de mesurer les débits de gaz, par exemple d’air et de méthane et éventuellement de gaz d’échappement d’un PSA entrant dans l’unité amont, permet d’anticiper des variations de débit de fumée à la sortie de l’unité amont et/ou des variations de pression dans cette unité amont. Cette anticipation permet de mieux réguler le débit à traiter dans l'unité aval et d’éviter des modes défaut pouvant conduire à l’arrêt de l’unité amont et/ou de l’unité aval, notamment lorsque la quasi-totalité des fumées sont traitées dans l’unité aval.

Cette anticipation vient compléter le contrôle de la pression en sortie de l’unité amont et/ou le contrôle sur le débit des fumées à l’unité aval, en vue d’une régulation efficace, sans attendre par exemple de détecter une augmentation de pression qui peut s’avérer problématique, du fait du temps de réaction du système et de sa sensibilité à une variation de pression.

Dans une manière de faire différente, le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval de traitement est, en fonctionnement nominal, isolé de l’atmosphère, notamment isolé d’une cheminée dans laquelle de la fumée provenant de l’unité amont peut être envoyée en cas de nécessité.

Dans cet exemple, un dispositif de vanne est disposé sur une ligne de sortie qui communique entre une cheminée et une ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unité aval, ce dispositif de vanne étant agencé pour être fermé pour isoler la cheminée de la ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unit aval.

Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif de vanne comprend une vanne papillon telle qu’une vanne papillon de type Damper.

Selon l’un des aspects de l’invention, le procédé comporte l’étape suivante :

réguler le débit de fumée vers l’unité aval de traitement en vue de maintenir la pression de fonctionnement en sortie de l’unité amont à la pression de fonctionnement nominale, la pression de fonctionnement nominale étant notamment régi par la pression atmosphérique.

De préférence, la pression de fonctionnement nominale correspond à la pression atmosphérique.

mesurer la pression dans le débit de gaz entre l’unité amont et l’unité aval, notamment la pression en sortie de l’unité amont, cette mesure de pression étant une information de prédiction,
réguler le débit de fumée en fonction de cette mesure de pression, en vue de maintenir la pression de fonctionnement en sortie de l’unité amont à sa valeur nominale.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité aval comporte un compresseur, notamment un compresseur dont l’entraînement est au moins partiellement transmis par un moteur électrique, et la vitesse de rotation de ce compresseur est contrôlable par une unité de contrôle, notamment pour être augmentée, respectivement diminuée, pour réguler le débit de fumée entrant dans l’unité aval dans le sens d’une augmentation, respectivement d’une diminution, afin de faire baisser, respectivement faire augmenter, la pression de fonctionnement dans l’unité amont.

Dans le cas où le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval de traitement est, en fonctionnement nominal, isolé de l’atmosphère, la pression dans l’unité amont ne peut pas s’équilibrer avec la pression atmosphérique. Dans ce cas, il est possible de s’assurer que la pression de fonctionnement nominale de l’unité amont soit maintenue, à un intervalle de tolérance près, par exemple de quelques millibars. En effet, pour des raisons de sécurité, lorsque la pression de fonctionnement de l’unité amont sort de cet intervalle de tolérance, une séquence d’alarme peut s’engager et l’unité amont peut potentiellement subir un arrêt d’urgence, ce qui est, bien entendu, à éviter.

Lorsque l’unité amont comporte une soufflante pour évacuer le débit de fumée, la pression de refoulement de la soufflante n’est pas imposée par la pression atmosphérique (puisqu’isolé de l’atmosphère) mais par la pression d’aspiration de l’unité aval. Une perturbation ou un mode défaut, par exemple un arrêt d’urgence, de l’unité aval peut alors provoquer un mode défaut de l’unité amont, laquelle unité amont présente une grande sensibilité dans le sens où les écarts tolérés par rapport à la pression de fonctionnement nominale sont très faibles. Le contrôle de la pression de fonctionnement de l’unité amont est ainsi à faire de manière réactive grâce à la régulation du débit de fumée.

Le fait d’isoler le débit de fumée de l’atmosphère, notamment de la cheminée, permet en outre de supprimer ou limiter fortement des entrées d’air dans les fumées via la cheminée. Ceci permet de garantir que la totalité ou quasi-totalité de la fumée soit traitée dans l’unité aval de traitement, et éviter que de l’air extérieur qui s’ajouterait au débit de fumée à traiter n’entraîne un besoin de capacité supplémentaire de traitement dans l’unité aval du fait de ce surplus de débit d’air indésirable. De plus, il est évité que de la fumée ne s’échappe dans l’atmosphère via la cheminée.

Selon l’un des aspects de l’invention, le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval de traitement est, en fonctionnement nominal, en équilibre de pression avec l’atmosphère.

Selon l’un des aspects de l’invention, le débit de fumée communique via une ligne de sortie avec une cheminée débouchant sur l’atmosphère, et cette ligne de sortie est laissée ouverte ou partiellement ouverte en fonctionnement nominal de sorte à permettre d’équilibrer la pression dans le débit de fumée à la pression atmosphérique.

Selon l’un des aspects de l’invention, un dispositif de vanne est disposé sur la ligne de sortie qui communique entre la cheminée et une ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unité aval, ce dispositif de vanne étant agencé pour être ouvert ou partiellement ouvert.

L’invention permet, dans ce cas, de s’assurer que la pression dans l’unité amont soit maintenue à la pression de fonctionnement nominale, ici la pression atmosphérique, aux pertes de charges près. On évite ainsi le risque de mode défaut de l’unité amont grâce à la stabilité de la pression.

réguler le débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval de manière à empêcher une aspiration d’air dans le débit de fumée ou qu’une partie de la fumée ne s’introduise pas dans la cheminée puis s’échappe dans l’atmosphère.

Le choix du débit de fumée assure ainsi que la totalité ou quasi-totalité des fumées, notamment au moins 90%, de préférence au moins 95%, voire au moins 97% des fumées, soit traitée par l’unité aval. Il est évité que de l’air extérieur s’ajoute au débit de fumée à traiter et n’entraîne un besoin de capacité supplémentaire de traitement dans l’unité aval du fait de ce surplus de débit d’air indésirable. De plus, il est évité que de la fumée qui contient du CO2 ne s’échappe dans l’atmosphère via la cheminée.

Dans le cas où la différence en concentration d’oxygène augmente entre l’entrée de l’unité de traitement et la sortie de l’unité amont ou dans le cas où la concentration d’oxygène mesurée en entrée de l'unité aval augmente, une unité de contrôle commande une diminution du débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval.

Dans le cas où la température des gaz dans la cheminée augmente, l’unité de contrôle commande une diminution du débit de fumée entre l’unité amont et l’unité aval.

Il convient de noter que la configuration avec le courant de fumée isolé de l’atmosphère est une solution intéressante pour traiter 100% des fumées mais qui a l'inconvénient de rendre le système (unité amont + unité aval) très sensible à des perturbations extérieures ou des perturbations du procédé même, ce qui pourrait engendrer des modes défaut de l'unité amont. Au contraire, la configuration avec le courant de fumée en équilibre de pression avec l’atmosphère selon l’invention permet d'avoir un système moins sensible aux perturbations.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont de traitement comporte un dispositif d’adsorption par modulation de pression, ou en anglais « Pressure Swing Adsorption » (PSA).

Il est pris en compte un mode défaut ou une perturbation ou une alarme de ce dispositif PSA pour réguler le débit de fumée arrivant dans l’unité aval de traitement ou le débit des gaz entrant dans l’unité amont. Par exemple, il peut être anticipé un arrêt ou une alarme de l’unité PSA dans le contrôle du débit des fumées à traiter.

Selon l’un des aspects de l’invention, plusieurs unités amont sont reliées à l’unité aval de traitement. Ces unités amont peuvent être identiques ou de technologie identique ou, en variante, de technologies différentes.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont comporte une soufflante et un dispositif de vanne capable de réguler le débit de fumée quittant cette unité amont.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont est une unité de production de gaz de synthèse à partir d'une charge d'hydrocarbures.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont est choisie parmi : une unité de reformage de méthane à la vapeur d’eau (SMR), une unité de production de chaux, une unité de production de ciment, une raffinerie, une unité d’oxycombustion.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont comporte un reformeur à méthane et à vapeur d’eau (SMR en anglais).

Il est à noter que les fumées des brûleurs d’un reformeur à méthane et à vapeur d’eau (SMR) produisent un gaz contenant de l’ordre de 10% à 20% molaire de CO2 ainsi qu’environ 50% à 70% molaire d’azote en base humide.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont met en œuvre au moins une étape de génération d'un gaz de synthèse brut par reformage à la vapeur avec production de la chaleur nécessaire au reformage à l'aide d'une combustion dans un four de reformage comprenant une chambre de combustion et une chambre de convection pour l'évacuation des fumées, la chambre de combustion contenant des tubes verticaux remplis de catalyseur, aptes à faire circuler de haut en bas un mélange hydrocarbures et vapeur d'eau, et des brûleurs alimentés en combustible et en comburant, et produisant par combustion des flammes aptes à apporter aux tubes la chaleur nécessaire au reformage, et optionnellement des étapes d'utilisation, dans une chambre de convection, de la chaleur contenue dans les fumées pour le préchauffage et/ ou le chauffage de différents fluides.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont est agencée pour produire un gaz de synthèse H2/CO par reformage de méthane ou d'autres charges d'hydrocarbures légers à la vapeur (SMR), à très haute température.

Selon l’un des aspects de l’invention, plusieurs réactions se produisent lors de cette étape de reformage, et si certaines sont exothermiques, la réaction initiale et principale est quant à elle endothermique, de sorte qu'il est nécessaire d'apporter de la chaleur pour cette étape de génération du gaz de synthèse.

D’autres types d’unités amont peuvent être prévus.

Le gaz, ou fumée, à traiter dans l’unité aval, peut être issu d’une combustion, par exemple une oxycombustion, de la fermentation, d’un PSA d’élimination d’hydrogène, d’une aciérie, d’une cimenterie, de la production d’ammoniac, de chaux ou d’oxyde d’éthylène. Il peut être du gaz naturel ou du biométhane contenant également du méthane dans les deux cas.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité aval comporte une unité de purification du CO2 par voie cryogénique, ou une unité ou plusieurs unités de lavage aux amines.

Selon l’un des aspects de l’invention, la fumée, ou gaz riche en dioxyde de carbone, est d’abord épurée et/ou refroidie dans une tour de lavage, puis est comprimé dans un compresseur. Le gaz est ensuite séché dans un sécheur qui peut être une unité d’adsorption. Le gaz séché peut ensuite servir comme produit sec ou être épuré par un autre moyen tel qu’une autre unité d’adsorption et/ou une membrane et/ou une unité de séparation à température inférieure à 0°C, par exemple par condensation partielle et/ou distillation. Il sera compris que le sécheur n’opère pas nécessairement par adsorption. Le gaz peut simplement être refroidi et/ou pressurisé pour condenser l’eau qu’il contient. Une unité de purification du CO2 par voie cryogénique est prévue.

L’unité aval permet ainsi la capture de CO2.

L’unité aval peut être de tout autre type, permettant de capturer du CO2 dans une fumée ou gaz.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité amont de traitement comporte un dispositif d’adsorption par modulation de pression, ou en anglais « Pressure Swing Adsorption » (PSA), et il est pris en compte un mode défaut ou une perturbation ou une alarme de ce dispositif PSA pour réguler le débit de fumée arrivant dans l’unité aval de traitement, l’information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont étant alors la détection ce mode défaut ou cette perturbation ou cette alarme.

L’invention a également pour objet une installation de traitement d’une fumée produite dans au moins une unité amont fonctionnant à une pression de fonctionnement nominale, cette fumée contenant de 5% à 90% molaire de dioxyde de carbone (CO2) en base humide et étant à une pression comprise entre 0.5 et 2 bar absolu, préférentiellement entre 0.9 et 1.1 bar absolu, cette installation comportant :

au moins une unité aval de traitement pour traiter la totalité ou la quasi-totalité du courant de fumée provenant de l’unité amont ou des unités amont, pour produire, à partir de ladite fumée, un courant gazeux ou liquide riche en CO2 qui contient plus de 50% molaire, de préférence plus de 75%, voire plus de 95% molaire de CO2,
une ligne de sortie permettant que le courant de fumée communique, entre l’unité amont et l’unité aval, avec une cheminée débouchant sur l’atmosphère, et cette ligne de sortie est laissée ouverte ou partiellement ouverte en fonctionnement nominal de sorte à permettre d’équilibrer la pression dans le courant de fumée à la pression atmosphérique.

Cette installation permet de mettre en œuvre le procédé de traitement selon l’invention tel que décrit plus haut.

Selon l’un des aspects de l’invention, l’unité aval comporte une unité de purification du CO2 par voie cryogénique, l’unité aval comporte une unité de purification du CO2 par voie cryogénique, ou une unité ou plusieurs unités de lavage aux amines.

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.

La est une représentation schématique et partielle d’un exemple d’une installation de traitement ;

la est une représentation schématique et partielle d’une installation de traitement selon un exemple de réalisation de l’invention ;

la est une représentation schématique et partielle d’une installation de traitement selon un autre exemple de réalisation de l’invention ; et

la représente des blocs fonctionnels de l’unité aval selon un exemple de l’invention.

Les éléments identiques, similaires, ou analogues, conservent la même référence d’une figure à l’autre.

On a représenté à la , une installation 1 de traitement d’une fumée, comportant :

une unité amont 2 fonctionnant à une pression de fonctionnement nominale, et produisant la fumée au cours de son fonctionnement, cette fumée contenant du dioxyde de carbone (CO2),
une unité aval de traitement 3 pour traiter la totalité ou la quasi-totalité de la fumée, notamment au moins 90%, de la fumée, provenant de l’unité amont, pour produire, à partir de ladite fumée, un courant gazeux ou liquide riche en CO2 qui contient environ 95% molaire de CO2,
une unité de contrôle 4 agencée pour détecter une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont, et réguler le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval de traitement 4 en fonction de cette information de prédiction.

Dans l’exemple décrit, l’unité amont 2 est une unité de production de gaz de synthèse à partir d'une charge d'hydrocarbures, de type SMR.

La fumée contient de 5% à 90% molaire de dioxyde de carbone (CO2) en base humide et étant à une pression comprise entre 0.5 et 2 bar absolu, préférentiellement entre 0.9 et 1.1 bar absolu.

Cette unité amont 2 est agencée pour produire un gaz de synthèse H2/CO par reformage de méthane ou d'autres charges d'hydrocarbures légers à la vapeur (SMR), à très haute température.

Ainsi, l’unité amont 2 met en œuvre une étape de génération d'un gaz de synthèse brut par reformage à la vapeur avec production de la chaleur nécessaire au reformage à l'aide d'une combustion dans un four de reformage comprenant une chambre de combustion et une chambre de convection pour l'évacuation des fumées, la chambre de combustion contenant des tubes verticaux remplis de catalyseur, aptes à faire circuler de haut en bas un mélange hydrocarbures et vapeur d'eau, et des brûleurs alimentés en combustible et en comburant, et produisant par combustion des flammes aptes à apporter aux tubes la chaleur nécessaire au reformage, et optionnellement des étapes d'utilisation de la chaleur contenue dans les fumées pour le préchauffage et/ ou le chauffage de différents fluides.

L’unité amont 2 comporte une soufflante 15 et un dispositif de vanne ou d’aubage, non représentée, capable de réguler le débit de fumée quittant cette unité amont en fonction de la pression dans la chambre de combustion.

L’unité aval 3 comprend une unité 13 de purification du CO2 par voie cryogénique, ou par lavage aux amines.

L’unité aval 3 comprend une ligne de sortie 70 de CO2.

La illustre dans des blocs, les principales fonctions de l’unité aval 3.

Ainsi la fumée, ou gaz riche en dioxyde de carbone, est d’abord épurée et/ou refroidie dans une tour de lavage 10, puis est comprimée dans un compresseur 5. Le gaz est ensuite séché dans un sécheur 11 qui peut être une unité d’adsorption. Le gaz séché peut ensuite servir comme produit sec ou être épuré par un autre moyen tel qu’une autre unité d’adsorption 12 (par exemple de type PSA) et/ou une membrane et/ou une unité de séparation à température inférieure à 0°C, par exemple par condensation partielle et/ou distillation. Il sera compris que le sécheur n’opère pas nécessairement par adsorption. Le gaz peut simplement être refroidi et/ou pressurisé pour condenser l’eau qu’il contient. Une unité 13 de purification du CO2 par voie cryogénique est prévue, unité qui comporte un circuit d’azote.

Dans le cadre du lavage aux amines, on retrouve la tour de lavage et le compresseur / soufflante mais pas forcément le sécheur 11 et l’unité d’adsorption 12 pour pré-concentrer en CO2.

L’installation 1 permet la mise en œuvre d’un procédé de traitement d’une fumée produite dans l’unité amont 2 fonctionnant à une pression de fonctionnement nominale, cette fumée contenant du dioxyde de carbone (CO2), ce procédé comportant les étapes suivantes:

traiter par l’unité aval 3 environ au moins 90%, de préférence au moins 95%, voire au moins 97%, des fumées provenant de l’unité amont 2, pour retirer le CO2 de la fumée en vue de sa capture,
réguler le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval de traitement 3.

Le procédé comporte les étapes suivantes :

mesurer des débits de gaz entrant dans l’unité amont 2, ici grâce à des capteurs de débit 17 sur les débits entrant d’air 18, de gaz naturel 19 et un gaz d’échappement d’une unité PSA,
réguler à l’aide de l’unité de contrôle 4, le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval 3 en fonction de ce ou ces débits mesurés, notamment en augmentant ce débit de fumée.

Dans l’exemple décrit, les mesures de débits de gaz entrant dans l’unité amont 2 grâce à des capteurs de débit 17 sur les débits entrant d’air 18, de gaz naturel 19 et un gaz d’échappement d’une unité PSA font partie de l’information de prédiction de la variation de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont 2.

L’hydrogène est récupéré à la sortie 20 de l’unité amont 2.

L’unité aval comporte le compresseur 5 et la vitesse de rotation de ce compresseur 5 est contrôlable par l’unité de contrôle 4, pour être augmentée, respectivement diminuée, pour réguler le débit de fumée dans le sens d’une augmentation, respectivement d’une diminution.

Le fait de mesurer les débits de gaz, par exemple d’air 18 et de méthane 19 entrant dans l’unité amont 2, permet d’anticiper des variations de débit de fumée à la sortie de l’unité amont et/ou des variations de pression dans cette unité amont. Cette anticipation permet de mieux réguler ces paramètres et d’éviter des modes défaut pouvant conduire à l’arrêt de l’unité amont et/ou de l’unité aval 3.

Dans l’exemple de la , le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval de traitement 3 est, en fonctionnement nominal, isolé de l’atmosphère, à savoir isolé d’une cheminée 22 dans laquelle de la fumée provenant de l’unité amont 2 peut être envoyée en cas de nécessité.

Un dispositif de vanne 23 est disposé sur une ligne de sortie 24 qui communique entre une cheminée et une ligne de circulation 25 de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval 4, ce dispositif de vanne 23 étant agencé pour être fermé pour isoler la cheminée 22 de la ligne de circulation 25 de fumée entre l’unité amont 2 et l’unit aval 3.

Dans une variante non illustrée, le dispositif de vanne 23 est disposé dans la cheminée 22.

Le dispositif de vanne 23 comprend une vanne papillon de type Damper.

Ce dispositif de vanne 23 peut également ne pas être présent, et la régulation de débit de la fumée entrant dans l’unité aval se fait par un compresseur ou une soufflante.

Le procédé comporte l’étape suivante :

réguler à l’aide de l’unité de contrôle 4 le débit de fumée vers l’unité aval 3 de traitement en vue de maintenir la pression de fonctionnement en sortie de l’unité amont 2 à la pression de fonctionnement nominale.

La pression de fonctionnement nominale correspond à la pression atmosphérique.

Le procédé comporte en outre les étapes suivantes :

mesurer la pression à l’aide d’une capteur de pression 29, dans le débit de gaz entre l’unité amont 2 et l’unité aval 3, notamment la pression en sortie de l’unité amont, cette mesure de pression étant une information de prédiction,
réguler le débit de fumée en fonction de cette mesure de pression, en vue de maintenir la pression de fonctionnement en sortie de l’unité amont 2 à sa valeur nominale.

La vitesse de rotation du compresseur 5 de l’unité aval 3 est contrôlable par l’unité de contrôle 4, pour être augmentée, respectivement diminuée, pour réguler le débit de fumée entrant dans l‘unité aval dans le sens d’une augmentation, respectivement d’une diminution, afin de faire baisser, respectivement faire augmenter, la pression de fonctionnement dans l’unité amont 2.

Dans le cas où le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité 3 aval de traitement est, en fonctionnement nominal, isolé de l’atmosphère, la pression dans l’unité amont ne peut pas s’équilibrer avec la pression atmosphérique. Dans ce cas, il est possible de s’assurer que la pression de fonctionnement nominale de l’unité amont soit maintenue, à un intervalle de tolérance près, par exemple de quelques millibars, autour de la pression atmosphérique.

Un dispositif de vanne 30 peut être disposé à l’entrée de l’unité aval 3 pour aider à réguler le débit de fumée vers l’unité aval 4. Ce dispositif de vanne 30 comprend ici une vanne papillon de type Damper. D’autres types de vanne peuvent être prévus.

Dans l’exemple de la , la plupart des éléments sont identiques à ceux du mode de la , à la différence que le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval de traitement 3 est, en fonctionnement nominal, en équilibre de pression avec l’atmosphère.

Le débit de fumée communique via la ligne de sortie 24 avec la cheminée 22 débouchant sur l’atmosphère, et cette ligne de sortie 24 est laissée ouverte, totalement ou partiellement, en fonctionnement nominal de sorte à permettre d’équilibrer la pression dans le débit de fumée à la pression atmosphérique.

Le dispositif de vanne 23 est disposé sur la ligne de sortie 24 qui communique entre la cheminée 22 et une ligne de circulation de fumée 25 entre l’unité amont et l’unité aval, ce dispositif de vanne 23 étant agencé pour être totalement ouvert ou partiellement ouvert.

L’invention permet, dans ce cas, de s’assurer que la pression dans l’unité amont 2 soit maintenue à la pression de fonctionnement nominale, ici la pression atmosphérique. On évite ainsi le risque de mode défaut de l’unité amont grâce à la stabilité de la pression.

Le procédé comporte l’étape suivante :

réguler le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval 3 de manière à empêcher une aspiration d’air dans le débit de fumée ou qu’une partie de la fumée ne s’introduise pas dans la cheminée 22 puis s’échappe dans l’atmosphère.

Il est évité que de l’air extérieur s’ajoute au débit de fumée à traiter et n’entraîne un besoin de capacité supplémentaire de traitement dans l’unité aval du fait de ce surplus de débit d’air indésirable. De plus, il est évité que de la fumée qui contient du CO2 ne s’échappe dans l’atmosphère via la cheminée.

Dans l’exemple de la , le procédé comporte les étapes suivantes :

mesurer une différence de concentration en oxygène entre l’entrée de l’unité aval 3 et la sortie de l’unité amont 2 à l’aide de capteurs 31 de mesure de concentration de O2,
mesurer une température de l’air dans la cheminée 22 ou provenant de la cheminée, à l’aide d’un capteur de température 33,
déterminer, à partir de ces mesures, si de l’air provenant de l’atmosphère s’ajoute au débit de fumée, ou si de la fumée s’échappe dans l’atmosphère par la cheminée 22,
réguler le débit de fumée pour éviter cet ajout d’air dans le débit de fumée ou éviter que de la fumée ne s’échappe dans l’atmosphère.

Préalablement aux corrections de contrôle en fonction de la température et de la concentration en oxygène telles décrites ci-dessus, il est procédé à la régulation avec le débit qui arrive à l'unité aval, dont la valeur de consigne de la régulation peut être corrigée grâce aux mesures des débits entrants dans l'unité amont.

Dans le cas où la différence en concentration d’oxygène augmente entre l’entrée de l’unité aval 3 de traitement et la sortie de l’unité amont 2, l’unité de contrôle 4 commande une diminution de la vitesse de rotation du compresseur de l’unité aval.

Dans le cas où la température des gaz dans la cheminée augmente, l’unité de contrôle 4 commande une augmentation de la vitesse de rotation du compresseur 5 de l’unité aval 4.

Une mesure du débit circulant vers l’unité aval 3 est effectuée par un capteur 17 sur ligne de circulation 25

Dans le présent exemple, le procédé comporte les étapes suivantes :

mesurer au moins un débit de gaz entrant dans l’unité amont 2, notamment le débit des différents gaz entrant dans l’unité amont 2 qui représentent au moins 80% de la totalité des gaz entrant dans l’unité amont, ces débits mesurés faisant partie d’une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont,
réguler le débit de fumée entre l’unité amont 2 et l’unité aval 4 en fonction de l’information de prédiction que sont ce ou ces débits mesurés, notamment en augmentant le débit de fumée sortant de l’unité amont en aspirant davantage la fumée, notamment en augmentant la section de passage d’un dispositif de vanne 30 et/ou en augmentant la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou en modifiant la position d’un aubage variable du compresseur ou de la soufflante.

Pour réduire la quantité d’air entrant dans l’unité aval 4, la régulation consiste notamment à diminuer la section de passage du dispositif de vanne 30 et/ou à réduire la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou à modifier la position de l’aubage variable du compresseur ou de la soufflante. Pour réduire la quantité de fumée qui s’échappe dans l’atmosphère, la régulation consiste notamment à augmenter la section de passage du dispositif de vanne 30 et/ou à augmenter la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou à modifier la position de l’aubage variable.

On a représenté sur la un autre mode de réalisation de l’invention, dans lequel sont prévues deux unités amont 2 et une unité aval 3.

Deux vannes 30 sont associées aux deux unités amont 2, avec un point de mélange 51 des courants venant des deux vannes 30. Le mélange des courants se dirige ensuite vers l’unité aval 3.

Une des vannes 30 est laissée grande ouverte et l’autre est laissée partiellement ouverte, ou l’une est laissée plus ouverte que l’autre, afin de compenser la différence de pertes de charge entre l'une des unités amont 2 et le point de mélange 51 et l'autre unité amont et le point de mélange 51.

Claims

Procédé de traitement d’une fumée produite dans au moins une unité amont (2) fonctionnant à une pression de fonctionnement nominale, cette fumée contenant de 5% à 90% molaire de dioxyde de carbone (CO2) en base humide et étant à une pression comprise entre 0.5 et 2 bar absolu, préférentiellement entre 0.9 et 1.1 bar absolu, ce procédé comportant les étapes suivantes :
traiter par au moins une unité aval de traitement (3) la totalité ou la quasi-totalité du courant de fumée provenant de l’unité amont ou des unités amont, pour produire, à partir de ladite fumée, un courant gazeux ou liquide riche en CO2 qui contient plus de 50% molaire, de préférence plus de 75%, voire plus de 95% molaire de CO2,

permettre que le courant de fumée communique, entre l’unité amont et l’unité aval, via une ligne de sortie (24), avec une cheminée (22) débouchant sur l’atmosphère, et cette ligne de sortie est laissée ouverte ou partiellement ouverte en fonctionnement nominal de sorte à permettre d’équilibrer la pression dans le courant de fumée à la pression atmosphérique.
Procédé selon la revendication précédente, comportant les étapes suivantes :
détecter au moins une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont, cette information de prédiction étant différente d’une mesure de pression, de débit ou de composition globale des fumées,

réguler le débit de fumée entre l’unité amont (2) et l’unité aval de traitement (3) en fonction de cette information de prédiction à l’aide d’un dispositif de vanne pour le passage de la fumée et/ou d’un dispositif élévateur de la pression disposé entre l’unité amont et l’unité aval ou au sein de l’unité aval.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un dispositif de vanne (23) est disposé :
sur la ligne de sortie qui communique entre la cheminée et une ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unité aval, ou

sur une ligne de circulation de fumée entre l’unité amont et l’unité aval, ou

dans la cheminée,
ce dispositif de vanne étant agencé pour être ouvert ou partiellement ouvert et le dispositif de vanne comporte une vanne qui est par exemple une vanne papillon telle qu’une vanne papillon de type Damper.
Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de vanne est agencé pour avoir une ouverture comprise entre 5% et 100% de l’ouverture maximale permise par le dispositif de vanne.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel sont prévus un dispositif élévateur de pression, notamment placé dans l’unité aval, capable d’élever la pression du courant gazeux de fumée, le dispositif élévateur de pression comportant notamment un compresseur (5) ou une soufflante.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes :
mesurer au moins un débit de gaz entrant dans l’unité amont (2), notamment le débit des différents gaz entrant dans l’unité amont qui représentent au moins 80% de la totalité des gaz entrant dans l’unité amont, ces débits mesurés faisant partie d’une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont,

réguler le débit de fumée entre l’unité amont (2) et l’unité aval (4) en fonction de l’information de prédiction que sont ce ou ces débits mesurés, notamment en augmentant le débit de fumée sortant de l’unité amont en aspirant davantage la fumée, notamment en augmentant la section de passage d’un dispositif de vanne et/ou en augmentant la vitesse de rotation du compresseur ou de la soufflante et/ou en modifiant la position d’un aubage variable du compresseur ou de la soufflante.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, comportant les étapes suivantes :
mesurer une ou plusieurs concentrations en oxygène dans le débit de fumée, ou une différence de concentration en oxygène entre l’entrée de l’unité aval et la sortie de l’unité amont, et/ou

mesurer une ou plusieurs températures de l’air dans la cheminée ou provenant de la cheminée,

déterminer, à partir de ces mesures, si de l’air provenant de l’atmosphère s’ajoute au débit de fumée, ou si de la fumée s’échappe dans l’atmosphère par la cheminée,

réguler le débit de fumée pour éviter cet ajout d’air dans le débit de fumée ou éviter que de la fumée ne s’échappe dans l’atmosphère.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est pris en compte un mode défaut ou une perturbation ou une alarme du dispositif amont pour réguler le débit de fumée arrivant dans l’unité aval de traitement, une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont étant alors la détection de ce mode défaut ou cette perturbation ou cette alarme.
Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’unité amont de traitement comporte un dispositif d’adsorption par modulation de pression, ou en anglais « Pressure Swing Adsorption » (PSA), et il est pris en compte un mode défaut ou une perturbation ou une alarme de ce dispositif PSA pour réguler le débit de fumée arrivant dans l’unité aval de traitement, une information de prédiction de la variation d’un débit de fumée sortant de l’unité amont étant alors la détection ce mode défaut ou cette perturbation ou cette alarme.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité amont ou l’une au moins des unités amont est une unité de reformage de méthane à la vapeur d’eau (SMR).
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité aval (3) comporte une ou plusieurs unités de purification du CO2 par voie cryogénique, ou une unité ou plusieurs unités de lavage aux amines.
Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les unités amont et unités aval sont connectées à un même réseau de fumée.