FR3132032A1 - Procédé et système de capture de dioxyde de carbone - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de capture de dioxyde de carbone dans lequel - on forme au moins un jet (2) dudit fluide refroidisseur présentant une température inférieure ou égale à -78,5°C, ledit fluide refroidisseur étant choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges, - on forme au moins un jet (1a, 1b) de gaz, dit gaz à traiter, contenant au moins en partie du dioxyde de carbone, - on réalise une étape de solidification du dioxyde de carbone dans laquelle on projette ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre à l’intérieur d’une enceinte, ledit gaz à traiter présentant une pression supérieure à la pression dudit fluide refroidisseur, - après ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on récupère du dioxyde de carbone à l’état solide. L’invention concerne également un système de capture de dioxyde de carbone adapté pour mettre en œuvre un tel procédé. Figure pour l’abrégé : figure 1
Description
L’invention concerne le piégeage du dioxyde de carbone (CO2) en vue de son stockage et/ou de sa réutilisation. L’invention concerne plus particulièrement un procédé et un dispositif de capture du dioxyde de carbone.
Le dioxyde de carbone fait partie des principaux gaz à effet de serre, c’est à dire dont la présence dans l’atmosphère terrestre contribue au réchauffement climatique. De nombreuses activités humaines, en particulier des activités industrielles, rejettent des gaz comprenant du dioxyde de carbone.
Dans tout le texte, on désigne par effluent, tout fluide considéré comme un rejet issu d'une installation. Il peut par exemple s’agir d’une installation de fabrication d’un composé tel que de la chaux ou encore une usine de traitement de matériaux ou de déchets.
Afin de limiter au maximum ces rejets indésirables dans l’atmosphère, on connait des procédés et des dispositifs de capture (ou piégeage) de dioxyde de carbone.
Cependant, les dispositifs connus à ce jour se sont pas satisfaisants au regard des rendements atteignables et des coûts énergétiques nécessaires. De plus, les dispositifs connus nécessitent des coûts en investissement élevés et impliquent l’utilisation de composés polluants et/ou non renouvelables utilisés dans les systèmes de captation, tels que des solvants chimiques et/ou des hydrocarbures.
A ce titre, l’invention vise à pallier les inconvénients des procédés et des dispositifs de capture de dioxyde de carbone connus.
L’invention vise à fournir un procédé et un système de capture du dioxyde de carbone d’un gaz à traiter adaptés pour pouvoir être mis en œuvre à l’échelle industrielle tout en présentant des coûts d’installation et de mise en œuvre réduits.
L’invention vise également à proposer un procédé et un dispositif de capture du dioxyde de carbone permettant non seulement de capter une proportion importante du dioxyde de carbone contenu dans l’effluent (voir la quasi-totalité ou la totalité du dioxyde de carbone) mais également de capter d’autres polluants susceptibles d’être présents dans l’effluent gazeux à traiter, tels que des composés organiques volatiles (couramment désignés « COV ») ou encore des oxydes d’azote (couramment désignés « NOx », c’est-à-dire en particulier le monoxyde d’azote NO et le dioxyde d’azote NO2) ou des oxydes de soufres (couramment désignés « SOx », c’est-à-dire notamment le dioxyde de soufre SO2et le trioxyde de soufre SO3).
Pour ce faire, l’invention concerne un procédé de capture de dioxyde de carbone dans lequel :
- on dispose d’au moins un flux de fluide, dit fluide refroidisseur, présentant une température inférieure ou égale à -78,5°C (194,5 K), ledit fluide refroidisseur étant choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges,
- on dispose d’au moins un flux de gaz, dit gaz à traiter, contenant au moins en partie du dioxyde de carbone,
- on forme au moins un jet dudit fluide refroidisseur et on forme au moins un jet dudit gaz à traiter,
- on réalise une étape de solidification du dioxyde de carbone dans laquelle on projette ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre à l’intérieur d’une enceinte, ledit gaz à traiter présentant une pression supérieure à la pression dudit fluide refroidisseur,
- après ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on récupère du dioxyde de carbone à l’état solide.
L’invention concerne également un système de capture de dioxyde de carbone comprenant :
- au moins une première conduite au sein de laquelle circule au moins un flux de fluide, dit fluide refroidisseur, présentant une température inférieure ou égale à -78,5°C (194,5 K), ledit fluide refroidisseur étant choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges,
- au moins une deuxième conduite au sein de laquelle circule au moins un flux de gaz, dit gaz à traiter, contenant au moins en partie du dioxyde de carbone,
- au moins une buse adaptée pour pouvoir former au moins un jet dudit fluide refroidisseur et au moins un jet dudit gaz à traiter,
- une enceinte adaptée pour permettre la solidification du dioxyde de carbone par projection dudit jet de fluide refroidisseur et dudit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre, ledit gaz à traiter présentant une pression supérieure à la pression dudit fluide refroidisseur, ladite première conduite et ladite deuxième conduite étant reliée à ladite enceinte,
- un dispositif de récupération du dioxyde de carbone à l’état solide.
L’invention concerne donc également un système de capture de dioxyde de carbone adapté pour mettre en œuvre un procédé de capture de dioxyde de carbone selon l’invention.
Un procédé et un système selon l’invention permettent de traiter une grande variété d’effluents gazeux (parfois également appelées fumées ou « vapeurs condensables »), y compris des effluents gazeux comprenant du dioxyde de carbone (ou d’autres composés à capter ou capturer) sous des concentrations très faibles (à partir de 1% en volume dans le flux de gaz à traiter) jusqu’à des concentrations très fortes (plus de 90% en volume dans le flux de gaz à traiter).
Pour ce faire, les inventeurs ont constaté que la mise en contact direct d’un fluide refroidisseur conforme à l’invention avec un gaz à traiter, plus ou moins chargé en CO2, permet de générer du CO2solide via des jets lorsque la pression du gaz à traiter projeté est supérieure à la pression dudit fluide refroidisseur projeté.
Avantageusement et selon l’invention, on choisit l’azote à titre de fluide refroidisseur.
Avantageusement et selon l’invention, on projette ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre de façon à ce que ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter s’étendent respectivement selon des directions formant entre elles un angle non nul inférieur à 90°, en particulier un angle non nul inférieur à 50°, avant d’entrer au contact l’un de l’autre.
Avantageusement et selon l’invention, le système comprend au moins une buse de pulvérisation adaptée pour permettre l’éjection d’au moins deux jets de fluide, dont au moins un premier jet, dit jet circulaire, présentant une section transversale sensiblement circulaire en sortie de la buse autour d’au moins un deuxième jet sensiblement rectiligne, ledit deuxième jet étant disposé à l’intérieur dudit premier jet. Ainsi, ladite buse de pulvérisation est adaptée pour permettre de former au moins un premier jet, dit jet circulaire, présentant une section transversale sensiblement circulaire en sortie de la buse autour d’au moins un deuxième jet sensiblement rectiligne, ledit deuxième jet étant disposé à l’intérieur dudit premier jet, ledit premier jet circulaire étant ledit jet de gaz à traiter et ledit deuxième jet étant ledit jet de fluide refroidisseur. Il est également possible d’utiliser une buse comprenant deux conduits internes produisant deux jets de forme sensiblement rectiligne ou encore au moins deux buses de pulvérisation simples (comprenant chacune un unique conduit interne), en utilisant au moins une buse produisant un jet de gaz à traiter et au moins une buse produisant un jet de fluide refroidisseur, les buses étant alors disposées l’une par rapport à l’autre de façon à ce que ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter s’étendent respectivement selon des directions formant entre elles un angle non nul inférieur à 90° avant d’entrer au contact l’un de l’autre.
Avantageusement et selon l’invention, le système comprend une bride de connexion à ladite buse, ladite bride comprenant deux embouts adaptés pour pouvoir être connectés à ladite première conduite et à ladite deuxième conduite.
Avantageusement et selon l’invention, la pression du flux de gaz à traiter dans la deuxième conduite est supérieure à la pression du flux de fluide refroidisseur dans la première conduite.
Avantageusement et selon l’invention, on utilise ledit fluide refroidisseur à une pression comprise entre 100 000 Pa et 500 000 Pa (au moins au début de l’étape de solidification). De même, avantageusement et selon l’invention, au moins au début de l’étape de solidification, le fluide refroidisseur présente une température inférieure ou égale à -78,5°C (194,5 K), notamment de l’ordre de -196°C (77 K).
Avantageusement et selon l’invention, on utilise ledit gaz à traiter à une pression comprise entre 150 000 Pa et 800 000 Pa. De même, avantageusement et selon l’invention, au moins au début de l’étape de solidification, le gaz à traiter présente une température comprise entre 20°C (293 K) et -120°C (153 K).
Avantageusement et selon l’invention, on réalise ladite étape de solidification du dioxyde de carbone en projetant ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre de façon à ce que le rapport de la pression dudit gaz à traiter sur la pression dudit fluide refroidisseur soit compris entre 1,5 et 3,5, en particulier compris entre 2 et 3.
Le dioxyde de carbone solide formé dans l’enceinte dans laquelle sont mis en contact ledit au moins un jet de fluide refroidisseur et ledit au moins un jet de gaz à traiter peut être récupéré par toute technique permettant de séparer des particules solides d’un mélange gazeux ou d’un gaz, notamment par centrifugation et/ou par gravité ce qui présente un avantage pour le dioxyde de carbone étant donné que c’est un composé dit lourd. Une partie du CO2peut chuter et être séparée par gravité dans un séparateur cyclonique.
Avantageusement et selon l’invention, ledit système comprend au moins un séparateur cyclonique configuré pour permettre de récupérer ledit dioxyde de carbone à l’état solide. En particulier, le séparateur cyclonique est en aval et relié à l’enceinte dans laquelle sont préalablement mis en contact ledit au moins un jet de fluide refroidisseur et ledit au moins un jet de gaz à traiter. Divers séparateurs cycloniques peuvent être utilisés. Le séparateur cyclonique peut par exemple présenter un conduit d’entrée s’étendant tangentiellement à une portion cylindrique du séparateur cyclonique. Le conduit d’entrée du séparateur cyclonique peut également présenter une forme en spirale, une forme hélicoïdale ou encore un conduit d’entrée axial (parallèle à la direction longitudinale du cyclone ou à l’axe de la portion cylindrique du séparateur cyclonique). En combinaison ou en alternative, chaque séparateur cyclonique peut également présenter une trémie de décharge en partie inférieure permettant de limiter le passage d’impuretés et/ou de limiter le passage du fluide refroidisseur avec le dioxyde de carbone solide.
Il est possible de prévoir plusieurs séparateurs cycloniques placés en parallèle et/ou en série. Dans le cas où plusieurs séparateurs cycloniques sont prévus en parallèle, ceci permet d’éviter d’installer un unique séparateur cyclonique de taille plus importante dans le cas de débits importants à traiter, permettant ainsi un arrêt partiel de l’installation en cas de maintenance sur l’un ou plusieurs des séparateurs cycloniques. Dans le deuxième cas où plusieurs séparateurs cycloniques sont prévus en série, cela permet de bénéficier d’une plus grande efficacité de capture du dioxyde de carbone solide.
Avantageusement et selon l’invention, après ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on réalise une étape de séparation par centrifugation de façon à récupérer ledit dioxyde de carbone à l’état solide.
Avantageusement et selon l’invention, ledit système comprend au moins un condenseur adapté pour permettre la réalisation d’un échange thermique entre ledit flux de gaz à traiter et un flux, dit flux refroidisseur recyclé, circulant à partir de ladite enceinte au sein d’une troisième conduite, de façon à condenser au moins en partie du dioxyde de carbone.
Avantageusement et selon l’invention, préalablement à ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on réalise une étape, dite étape de condensation, dans laquelle on réalise un échange thermique entre ledit flux de gaz à traiter et un flux, dit flux refroidisseur recyclé, issu d’une étape précédente de solidification du dioxyde de carbone contenant au moins en partie ledit fluide refroidisseur choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges, de façon à condenser au moins en partie du dioxyde de carbone. Une telle variante de réalisation du procédé selon l’invention est particulièrement avantageuse en terme d’efficacité énergétique mais également au regard du rendement de capture du dioxyde de carbone présent dans le flux de gaz à traiter entrant dans le système selon l’invention.
Un procédé selon l’invention permet ainsi de capter une partie du dioxyde de carbone d’une part, sous forme solide (en particulier sous forme de flocons) et, d’autre part, sous forme liquide. Avantageusement et selon l’invention, on récupère entre 60% et 90% en volume de dioxyde de carbone contenu dans le flux de gaz à traiter au cours de ladite étape de condensation et entre 10% et 40% en volume de dioxyde de carbone au cours de ladite étape de solidification du dioxyde de carbone.
Avantageusement et selon l’invention, on choisit l’azote liquide à titre de fluide refroidisseur.
Avantageusement et selon l’invention, ledit système comprend au moins un compresseur.
Avantageusement et selon l’invention, ledit système comprend au moins un filtre adapté pour éliminer les particules fines et/ou les composés hydrocarbonés (par exemple les vapeurs d’huile issu d’un compresseur) dudit flux de gaz à traiter.
L’invention concerne également un procédé et un système, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.
Dans tout le texte, on utilise les termes amont ou aval en référence au sens de circulation des fluides au sein du système.
La pression de l’azote liquide (entre 1 bar et 5 bars) est toujours inférieure à la pression des gaz injectés (entre 1,5 bar et 8 bars) de sorte que les gaz à traiter puissent pulvériser de manière efficace le jet d’azote liquide sous forme d’un cône plein afin de générer un nuage de gouttelettes. Si la pression du gaz à traiter est trop inférieure à la pression du jet d’azote liquide alors le jet ne peut être dissocié en gouttelette et les gaz peuvent être amenés à rebondir sur le jet d’azote liquide ne donnant ainsi pas lieu à un mélange et à un échange thermique efficace. Ce problème peut amener à une difficulté à évaporer l’azote liquide donnant ainsi un mélange de CO2solide et d’azote liquide en aval dans le système. L’obtention d’un tel mélange provoque une surconsommation inutile d’azote liquide et une étape supplémentaire pour séparer le CO2solide de l’azote liquide.
La illustre le phénomène de nucléation se produisant suite à l’impact en un point 3 entre un jet 2 central de fluide refroidisseur et un jet circulaire 1 (traits 1a, 1b en ) de gaz à traiter. Dans une première phase 7 (pulvérisation), des gouttelettes 4 de fluide refroidisseur liquide sont générées et vont servir de support à la génération du CO2solide à partir du CO2présent dans le gaz à traiter par un phénomène de nucléation au cours d’une deuxième phase 8. Les flocons de CO2ont besoin d’un support pour pouvoir se générer, ce support pouvant être des particules ou bien des gouttelettes de tailles variables ainsi obtenues lors de la pulvérisation d’un jet d’azote liquide par exemple. Au cours d’une deuxième phase 8, les particules 5 sont composées de gouttelettes de fluide refroidisseur et de flocons de CO2. Dans une troisième phase 9 (solidification complète), les particules 6 sont uniquement formées de flocons de CO2.
Les températures finales en jeu dans le nuage pulvérisé sont situées entre -78,5°C (351,5 K) et -145°C (128 K) en fonction de la quantité de CO2présente dans le gaz à traiter. Plus la concentration en CO2est faible et plus les températures doivent être basses pour initier la formation de CO2 solide. La formation d’un nuage de gouttelettes d’azote liquide est idéale pour obtenir de telles températures de manière précise et homogène grâce à la régulation par la quantité d’azote liquide injectée et la présence de gouttelettes dans l’ensemble du volume du nuage. L’avantage de l’utilisation d’un tel jet est donc de pouvoir solidifier la quasi-totalité du CO2présent dans le nuage de pulvérisation et de pouvoir adapter précisément la température désirée en régulant la quantité d’azote liquide injectée.
Les gouttelettes de fluide refroidisseur, par exemple les gouttelettes d’azote liquide, formées sont amenées à s’évaporer au contact du gaz à traiter plus chaud ce qui procure un triple avantage :
- l’intégralité du fluide refroidisseur utilisé est évaporé grâce à un ajustement de la quantité injectée ce qui permet d’obtenir exclusivement du CO2solide (glace) en aval, l’azote gazeux ou autre fluide refroidisseur pouvant être facilement séparé et évacué ;
- tirer pleinement parti de l’enthalpie de vaporisation du fluide refroidisseur (par exemple de l’azote) c’est-à-dire l’énergie thermique nécessaire pour évaporer le fluide refroidisseur en complément du froid apporté par celui-ci et ainsi optimiser les transferts thermiques en injectant la quantité suffisante de fluide refroidisseur pour ne pas obtenir un mélange de CO2glace et d’azote liquide (ou autre fluide refroidisseur) plus difficilement exploitable en aval,
- l’évaporation des gouttelettes engendre aussi une augmentation de la pression dans l’enceinte S004 ce qui permet d’augmenter la vitesse du mélange entrant dans le séparateur cyclonique favorisant ainsi la séparation des solides dans ce dernier.
Les figures 2 et 3 illustrent un exemple de schéma tuyauterie et instrumentation d’un système de capture de dioxyde de carbone selon l’invention.
La illustre un module de pré-conditionnement du système de capture de dioxyde de carbone selon l’invention. Il permet de contrôler et de réguler certaines caractéristiques du flux de gaz à traiter introduit dans le système de façon à optimiser l’efficacité du procédé de capture de dioxyde de carbone. Toutefois, ce module de pré-conditionnement n’est pas indispensable, le gaz à traiter pouvant être directement injecté en entrée dans la conduite 12 visible en . La illustre un module de capture du système selon l’invention. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous, le module de pré-conditionnement et le module de capture font partie d’un même système de capture (étant reliés entre eux par les conduites 12 et 13).
Comme on peut le voir sur la , le module de pré-conditionnement comprend un réservoir tampon R023 d’aspiration des fumées ou effluents d’une installation dont est issu le gaz à traiter comprenant du dioxyde de carbone. Un échangeur E022 est également prévu en amont de ce réservoir permettant un pré-refroidissement et un séchage du gaz à traiter. En sortie du réservoir tampon R023 le gaz à traiter est comprimé par un compresseur C008 du module de pré-conditionnement. Le module de pré-conditionnement comprend ensuite un actionneur 14, un premier filtre F012 à huile grossier, un deuxième filtre F013 à huile à charbon actif (permettant une filtration affinée) et un sécheur D026 relié à un épurateur de condensat F019. Un réservoir tampon R014 du gaz à traiter comprimé permet de lisser le débit de gaz à traiter souhaité dans le système. Le module de pré-conditionnement comprend enfin une vanne 15 (ouverte lors du fonctionnement normal du système et du procédé selon l’invention), un débitmètre 16 et un séparateur d’azote F015 permettant d’ôter l’azote éventuellement présent dans le gaz à traiter. La conduite 12 se prolonge vers le module de capture en tant que tel du système ( ).
Le système comprend une enceinte S004 de solidification et de séparation du CO2solide connecté en entrée à une première conduite 20 et à une deuxième conduite 10, la buse de pulvérisation 100 étant disposée à l’entrée de l’enceinte S004. Ici l’enceinte S004 de solidification et de séparation du CO2solide comprend également un séparateur cyclonique permettant de diriger en partie inférieure le solide à séparer tout en permettant l’évacuation du fluide restant en partie supérieure (vers une conduite 25 permettant de réutiliser le fluide refroidisseur). L’enceinte S004 de solidification et de séparation du CO2solide est reliée en sortie du CO2solide à un réservoir tampon R005 contenant le CO2solide lui-même relié à un réservoir de sublimation R006. Des vannes 45 et 46 sont prévues entre ces réservoirs. Il est à noter que dans le cas où l’enceinte S004 est un séparateur cyclonique comprenant une trémie de décharge, la vanne 45 est alors facultative. Au cours du procédé de capture du CO2, on préfère fermer la vanne 46 lorsque la vanne 45 est ouverte et fermer la vanne 45 avant d’ouvrir la vanne 46.
Des capteurs de températures TT109, TT111 et TT112 sont prévus au sein du système afin de contrôler au mieux les paramètres de capture du CO2et d’optimiser encore le rendement.
La conduite 25 dirige le fluide refroidisseur en un flux refroidisseur recyclé, contenant au moins en partie du fluide refroidisseur choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges, vers un condenseur S003 permettant de condenser au moins en partie le dioxyde de carbone contenu dans le gaz à traiter avant qu’il ne soit injecté dans l’enceinte S004 via la conduite 10. Le dioxyde de carbone condensé est recueilli dans un réservoir R007 dans lequel est réalisé une évaporation du CO2liquide récupéré grâce au condenseur S003.
Une boucle fermée 29, comprenant une vanne 31, permettant un échange thermique avec le réservoir R007 peut être prévue.
La conduite 20 permet d’amener un fluide refroidisseur choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges (azote liquide dans l’exemple décrit ici) depuis un réservoir R021 dans lequel l’azote liquide est maintenu à une température de l’ordre de -196°C (77 K).
Un échangeur à plaques E001 est prévu avant l’entrée du gaz à traiter dans l’enceinte S004 précédé d’un régulateur de pression 50 du gaz à traiter.
Une boucle fermée 30 contenant un fluide frigorifique (R508b® par exemple comprenant 46% en poids de trifluorométhane et 54% en poids d’hexafluoroéthane) circulant à l’aide d’une pompe P011 entre le condenseur S003 et le réservoir de sublimation R006 peut être prévue. Cette boucle 30 permet de récupérer le froid du CO2solide dans le réservoir de sublimation R006.
Le condenseur permet donc non seulement de récupérer le froid du gaz (fumées traitées) qui sort du séparateur cyclonique mais également le froid du CO2solide à travers la boucle 30 (voir les deux serpentins à l’intérieur du condenseur S003 sur la ). Il est également possible d’ajouter un troisième serpentin supplémentaire dans le condenseur S003 pour y faire circuler du fluide refroidisseur (de l’azote liquide par exemple) afin de fournir un refroidissement d’appoint (non représenté).
Le système de capture comprend en outre un module de liquéfaction du CO2comprenant un réservoir tampon R002 et un réservoir R020 contenant du CO2liquide (par exemple à une pression de 20 bars (2 MPa) et à une température de -20°C (253 K)). Des clapets anti-retour 32, 33 sont prévus. Le module de liquéfaction comprend également un compresseur C010 du CO2capté, un filtre F024 à huile grossier, un filtre F025 à huile à charbon actif et des échangeurs à plaques E017 et E018.
Le régulateur de pression 50 du gaz à traiter et un régulateur de pression du fluide refroidisseur intégré au réservoir R021 permettent de faire en sorte que le gaz à traiter présente une pression supérieure à la pression du fluide refroidisseur lors de l’étape de solidification du dioxyde de carbone dans laquelle on projette le jet de fluide refroidisseur et le jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre à l’intérieur de l’enceinte S004.
Dans un exemple de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention, on utilise de l’azote liquide en tant que fluide refroidisseur, à une pression de 200 000 Pa, et un gaz à traiter à une pression de 400 000 Pa. Au début de l’étape de solidification, le fluide refroidisseur présente une température inférieure ou égale à -78,5°C (194,5 K), notamment de l’ordre de -196°C (77 K).
Au début de l’étape de solidification (dans le corps de la buse de pulvérisation), le gaz à traiter présente de préférence une pression comprise entre 150 000 Pa et 800 000 Pa. De même, avantageusement et selon l’invention, au moins au début de l’étape de solidification, le gaz à traiter présente une température comprise entre 20°C (293 K) et -120°C (153 K).
Un tel système et un tel procédé permettent de récupérer entre 60% et 90% en volume du dioxyde de carbone contenu dans le flux de gaz à traiter au cours de l’étape de condensation et entre 10% et 40% en volume de dioxyde de carbone au cours de l’étape de solidification du dioxyde de carbone.
Dans le mode de réalisation illustré en figures 2 et 3, afin de limiter la manipulation complexe du dioxyde de carbone solide et du dioxyde de carbone liquide, ces derniers sont respectivement sublimés et évaporés avant d’être conditionnés pour le stockage. L’enthalpie de sublimation du dioxyde de carbone est utilisée pour contribuer à la capture sous forme liquide du dioxyde de carbone. L’enthalpie de vaporisation du dioxyde de carbone liquide est utilisée pour pré-refroidir et éventuellement générer une liquéfaction au moins partielle du dioxyde de carbone dans le gaz à traiter avant l’étape de séparation du dioxyde de carbone liquide.
La illustre un exemple de buse 100 permettant la formation des jets 1a, 1b, 2 de gaz à traiter et de fluide refroidisseur. La buse 100 comprend deux entrées 101 de gaz à traiter de part et d’autre d’une entrée 102 de fluide refroidisseur prolongée de façon colinéaire à la direction de l’entrée 102 sous la forme d’un conduit interne. La buse 100 comprend un corps 103 et un écrou de fixation 105. Les deux entrées 101 de gaz à traiter se prolongent vers deux conduits internes au formés au sein du corps 103 et se prolongeant sous la forme d’une chambre de répartition106 adaptée pour permettre la formation d’un jet 2 rectiligne de fluide refroidisseur au centre d’un jet dit circulaire présentant une section transversale sensiblement circulaire en sortie de la buse (100). Une telle configuration permet de générer un cône plein après impact du jet circulaire de gaz à traiter et du jet rectiligne de fluide refroidisseur. La buse 100 peut être formée d’un matériau polymère tel que le polytrétrafluoroéthylène (PTFE) ou encore en matériau métallique (acier inoxydable par exemple).
Rien n’empêche de prévoir d’inverser le gaz à traiter et le fluide refroidisseur de sorte que le fluide refroidisseur pénètre dans les deux entrées 101 et que le gaz à traiter soit injecté dans l’entrée 102 de la buse 100 de façon à former un jet circulaire de fluide refroidisseur et un jet intérieur de gaz à traiter.
Les figures 5, 6 et 7 montrent une bride 120 formant un support pour la buse 100 et permettant de connecter les lignes d’arrivée de flux de gaz à traiter et de fluide refroidisseur à l’entrée de la buse 100 de pulvérisation. Chaque bride 120 comprend un corps 129 présentant une forme générale de disque duquel s’étend d’une même face dudit disque quatre goujons 127 de positionnement adaptés pour pouvoir pénétrer dans quatre alésages de forme conjuguée prévus dans le corps de la buse 100 ( ). Dans le mode de réalisation exemplifié, la bride est formée en matériau métallique, par exemple en acier inoxydable (un acier 304L ou 316L par exemple). Le corps 129 de la bride 120 est percé de trois orifices adaptés pour prendre position exactement en regard des entrées 101 et 102 de gaz à traiter et de fluide refroidisseur de la buse de pulvérisation. Du côté opposé du corps de la buse 100 où sont situés les goujons 127, la bride 120 comprend un connecteur central 121 prend la forme d’un conduit cylindrique dont l’extrémité présente une réduction concentrique et un embout 122 mâle adapté pour pouvoir être relié à une conduite d’arrivée du fluide refroidisseur. L’embout 122 mâle présente par exemple un diamètre de 10 mm. Du même côté du corps de la buse 100, la bride 120 comprend un connecteur 123 en T dont l’extrémité présente un embout 125 femelle adapté pour pouvoir être relié à une conduite d’arrivée du gaz à traiter. La bride présente par exemple un diamètre de l’ordre de 12 à 20 mm et chaque orifice d’entrée du gaz à traiter est espacé d’un orifice central d’entrée du fluide refroidisseur d’une distance de l’ordre de 60 mm.
Claims (14)
- Procédé de capture de dioxyde de carbone dans lequel :
- on dispose d’au moins un flux de fluide, dit fluide refroidisseur, présentant une température inférieure ou égale à -78,5°C, ledit fluide refroidisseur étant choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges,
- on dispose d’au moins un flux de gaz, dit gaz à traiter, contenant au moins en partie du dioxyde de carbone,
- on forme au moins un jet (2) dudit fluide refroidisseur et on forme au moins un jet (1a, 1b) dudit gaz à traiter,
- on réalise une étape de solidification du dioxyde de carbone dans laquelle on projette ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre à l’intérieur d’une enceinte (S004), ledit gaz à traiter présentant une pression supérieure à la pression dudit fluide refroidisseur,
- après ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on récupère du dioxyde de carbone à l’état solide. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’on projette ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre de façon à ce que ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter s’étendent respectivement selon des directions formant entre elles un angle non nul inférieur à 90°, en particulier un angle non nul inférieur à 50°, avant d’entrer au contact l’un de l’autre.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on utilise ledit fluide refroidisseur à une pression comprise entre 100 000 Pa et 500 000 Pa.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel on utilise ledit gaz à traiter à une pression comprise entre 150 000 Pa et 800 000 Pa.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel on réalise ladite étape de solidification du dioxyde de carbone en projetant ledit jet de fluide refroidisseur et ledit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre de façon à que le rapport de la pression dudit gaz à traiter sur la pression dudit fluide refroidisseur soit compris entre 1,5 et 3,5, en particulier compris entre 2 et 3.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel, après ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on réalise une étape de séparation par centrifugation de façon à récupérer ledit dioxyde de carbone à l’état solide.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel, préalablement à ladite étape de solidification du dioxyde de carbone, on réalise une étape, dite étape de condensation, dans laquelle on réalise un échange thermique entre ledit flux de gaz à traiter et un flux, dit flux refroidisseur recyclé, issu d’une étape précédente de solidification du dioxyde de carbone contenant au moins en partie ledit fluide refroidisseur choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges, de façon à condenser au moins en partie du dioxyde de carbone.
- Procédé selon la revendication 7, dans lequel on récupère entre 60% et 90% en volume de dioxyde de carbone contenu dans le flux de gaz à traiter au cours de ladite étape de condensation et entre 10% et 40% en volume de dioxyde de carbone au cours de ladite étape de solidification du dioxyde de carbone.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel on choisit l’azote liquide à titre de fluide refroidisseur.
- Système de capture de dioxyde de carbone comprenant :
- au moins une première conduite (20) au sein de laquelle circule au moins un flux de fluide, dit fluide refroidisseur, présentant une température inférieure ou égale à -78,5°C, ledit fluide refroidisseur étant choisi dans le groupe formé de l’azote, de l’oxygène, de l’air et de leurs mélanges,
- au moins une deuxième conduite (10) au sein de laquelle circule au moins un flux de gaz, dit gaz à traiter, contenant au moins en partie du dioxyde de carbone,
- au moins une buse (100) adaptée pour pouvoir former au moins un jet dudit fluide refroidisseur et au moins un jet dudit gaz à traiter,
- une enceinte (S004) adaptée pour permettre la solidification du dioxyde de carbone par projection dudit jet de fluide refroidisseur et dudit jet de gaz à traiter l’un au contact de l’autre, ledit gaz à traiter présentant une pression supérieure à la pression dudit fluide refroidisseur, ladite première conduite (10) et ladite deuxième conduite (20) étant reliée à ladite enceinte (S004),
- un dispositif de récupération du dioxyde de carbone à l’état solide. - Système selon la revendication 10, comprenant un séparateur cyclonique configuré pour permettre de récupérer ledit dioxyde de carbone à l’état solide.
- Système selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11, comprenant un condenseur (S003) adapté pour permettre la réalisation d’un échange thermique entre ledit flux de gaz à traiter et un flux, dit flux refroidisseur recyclé, circulant à partir de ladite enceinte au sein d’une troisième conduite (25), de façon à condenser au moins en partie du dioxyde de carbone.
- Système selon l’une des revendications 10 à 12, dans lequel ladite buse (100) de pulvérisation est adaptée pour permettre de former au moins un premier jet, dit jet circulaire (1a, 1b), présentant une section transversale sensiblement circulaire en sortie de la buse (100) autour d’au moins un deuxième jet sensiblement rectiligne, ledit deuxième jet (2) étant disposé à l’intérieur dudit premier jet, ledit premier jet circulaire étant ledit jet de gaz à traiter et ledit deuxième jet étant ledit jet de fluide refroidisseur.
- Système selon la revendication 13, comprenant une bride (120) de connexion à ladite buse (100), ladite bride (120) comprenant deux embouts (122, 125) adaptés pour pouvoir être connectés à ladite première conduite et à ladite deuxième conduite.
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