WO2025253063A1 - Système de traitement de gaz chargés en dioxyde de carbone émis par un consommateur - Google Patents

Système de traitement de gaz chargés en dioxyde de carbone émis par un consommateur

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WO2025253063A1
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Dayan MONZER
Bertrand DU PARC
Bernard Aoun
Charbel HOMSY
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Gaztransport et Technigaz SA
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    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes

Definitions

  • the present invention relates to the field of gases emitted by consumers, and more particularly to the methods implemented to treat such gases.
  • the emission source may consist of a fuel cell, for example, or more generally any device that releases a stream of gas charged with carbon dioxide.
  • a fuel cell for example, or more generally any device that releases a stream of gas charged with carbon dioxide.
  • Fuel cells are devices capable of generating electricity from a redox reaction.
  • fuel cells consist of two electrodes, an anode and a cathode, separated by an electrolyte membrane.
  • the anode is supplied with a reducing fuel, while the cathode is supplied with an oxidant, such as oxygen from the air.
  • the electrolyte membrane allows oxygen ions to pass from the cathode to the anode.
  • Solid oxide fuel cells also known by their English acronym SOFC, exist.
  • SOFC Solid oxide fuel cells
  • the electrolyte membrane consists of solid oxides.
  • These solid oxide fuel cells are used, for example, to provide electrical power within a floating structure.
  • the fuel cell consumes fuel and emits exhaust gases from its anode. These exhaust gases contain carbon dioxide, and it is therefore necessary to implement methods for treating these exhaust gases in order to limit carbon dioxide emissions.
  • the present invention aims to overcome this drawback by proposing a system and a method for treating the exhaust gases of a consumer which, by eliminating the post-combustion stage, makes it possible in particular to limit the constraints related to the use of pure oxygen.
  • the present invention thus has as its main object a system for treating gases charged at least with carbon dioxide emitted by a consumer, comprising a liquefied natural gas storage tank, a consumer configured to be supplied with a fuel produced from liquefied natural gas stored in the storage tank, a device for compressing the gases charged with carbon dioxide, a device for drying these gases charged with carbon dioxide, a device for condensing the carbon dioxide present in the gases charged with carbon dioxide and a device for separating the carbon dioxide present in the gases emitted by the consumer, the condensation device being disposed between the drying device and the separation device.
  • the treatment system according to the invention is configured to treat carbon dioxide present in exhaust gases emitted by a consumer.
  • This consumer is, for example, intended for the production of electrical energy within a floating structure, and could be, in particular, a fuel cell. More generally, the treatment system is suitable for treating a gas stream laden with carbon dioxide where the carbon dioxide concentration is at least 20% molar.
  • the treatment system successively compresses, dries, and condenses the carbon dioxide-laden gases emitted by the consumer, respectively using a compression device, a drying device, and a condensation device.
  • the carbon dioxide is then separated from the remaining exhaust gases using at least one carbon dioxide separation device.
  • This separation device includes at least one purification device, such as a distillation column. Its role is to extract any gases dissolved in the liquid phase of the carbon dioxide.
  • the separation device is configured to separate carbon dioxide on the one hand and residual gases on the other.
  • the separation device is connected to at least one circulation line for carbon dioxide in liquid form, and at least one circulation line for the residual gases.
  • the presence of the separation device within the treatment system allows carbon dioxide to be stored in liquid form above the triple point of carbon dioxide; this allows large quantities of carbon dioxide to be stored in liquid form before exporting it, for example to a sequestration chain, for reinjection into the subsoil after pumping or vaporization, or possibly before it undergoes treatment, for example conversion into synthetic methane.
  • the separation device differs from other devices such as dry ice machines, which are designed to form carbon dioxide in solid form for storage at a pressure and temperature below the triple point of carbon dioxide.
  • the capacity of a dry ice machine is less compared to the separation device, which is also less expensive and does not require any energy input.
  • the condensing unit is positioned between the drying unit and the separation unit.
  • “between” refers to a fluidic arrangement rather than a physical one; in other words, within an installation that receives the treatment system, the components can be physically arranged as they see fit, provided that these components follow a fluidic order in which the drying unit receives the carbon dioxide-laden gases before the condensing unit, which in turn receives them before the separation unit.
  • two units of the treatment system are considered “linked” when they are connected to each other by a line within the treatment system, without any other treatment component interposed between them.
  • the outlet of the first unit is connected by a simple line to the inlet of the second unit, so that the carbon dioxide-laden gases undergo no treatment or heat exchange as they pass from the first unit to the second.
  • the condensation device is configured to operate a heat exchange between the gases charged with carbon dioxide and at least natural gas in liquid state and/or natural gas in vapor state, this natural gas being from the storage tank.
  • the carbon dioxide-laden gases exchange heat either with natural gas in its liquid state only, or with natural gas in its vapor state only, or with both.
  • Natural gas in its vapor state is, for example, a gas resulting from the natural evaporation of liquefied natural gas, also known by its English name boil-off gas (BOG).
  • the condensation device comprises a condensation means and an intermediate fluid exchanger arranged in series with the condensation means, the intermediate fluid having a phase change temperature between -56 °C and -45 °C.
  • the condensing unit and the intermediate fluid heat exchanger constitute two subunits of the condensing device.
  • the purpose of the intermediate fluid heat exchanger is to prevent the carbon dioxide contained in the carbon dioxide-laden gases, whose freezing temperature is -56 °C, from freezing.
  • the liquefied natural gas or decarbonized gas streams are intended to be introduced into the condensation device at temperatures much lower than -56 °C, for example around -160 °C in the case of liquefied natural gas, in the absence of an intermediate fluid exchanger the skin temperatures of the tubes with which the carbon dioxide-laden gas would be in contact would be much lower than -56 °C, which would lead to the solidification of the carbon dioxide and consequently the clogging of the condensation device.
  • the intermediate fluid vaporizes by condensing the carbon dioxide contained in the carbon dioxide-laden gas and condenses by exchanging heat with the liquefied natural gas and/or the decarbonized gas.
  • the condensation and evaporation temperatures are identical or very close, as the temperature of this intermediate fluid is controlled at a level greater than or equal to -56°C, which eliminates the risk of the carbon dioxide freezing.
  • the intermediate fluid is, for example, R410A.
  • the treatment system includes a device for storing carbon dioxide in liquid form.
  • the storage device is located downstream of the separation device.
  • the storage device may be connected directly to the separation device or connected to a subcooling device which is itself connected to the separation device.
  • the consumer is a fuel cell comprising an anode and a cathode, the compression device and the drying device being configured to process carbon dioxide-laden gases emitted at the anode.
  • the fuel cell is supplied with air, which is delivered to the cathode, and fuel stored in the tank, which is delivered to the anode.
  • the fuel cell produces electrical energy through redox reactions, resulting in the formation of effluents at both the anode and the cathode. It is the carbon dioxide-laden gases emitted by the anode that are treated by the treatment system.
  • the treatment system includes at least one return circuit linking the condensation device to the fuel cell and configured to channel residual gases separated by the separation device.
  • the return circuit allows for the recycling of gases emitted by the anode within the treatment system. More specifically, the return circuit allows for the recycling of residual gases once the carbon dioxide has been removed from the gas stream emitted by the anode.
  • the return circuit is equipped with a purge device configured to evacuate residual gases circulating in the return circuit.
  • This purge device is an alternative to returning waste gases to the fuel cell. It allows, for example, the waste gases to be released into the atmosphere.
  • the return circuit is equipped with a pressure relief valve configured to lower the pressure of the residual gases circulating in the return circuit, before their entry into the fuel cell.
  • the pressure relief valve allows the pressure of the residual gases to be adjusted before their recycling to the fuel cell.
  • the condensation means comprises a primary pass configured to be used by gases laden with carbon dioxide and a plurality of passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass.
  • Carbon dioxide-laden gases circulate within the condensing unit in the primary pass, which is the section requiring cooling.
  • the condensing unit has at least two passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases.
  • the condensing unit includes at least one pass supplied, depending on the embodiment, by natural gas from the storage tank, liquid and/or vapor gas, or by the refrigerant, as well as at least one pass through which a fluid from other components of the treatment system flows. The presence of multiple passes enhances the cooling of the carbon dioxide-laden gases circulating within the primary pass.
  • the treatment system includes an expansion circuit comprising at least one expansion device disposed between two of the passes of the condensation means configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass.
  • the expansion circuit is configured to lower the pressure of the fluid circulating within it.
  • the expansion device is, for example, a turbine.
  • the separation device is disposed between the primary pass and one of the passes of the condensation means configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass.
  • the gases circulating in the pass configured to cool the carbon dioxide-laden gases correspond to the residual gases extracted from the liquid phase by the separation device.
  • the condensation means comprises at least three passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass, the expansion circuit comprising at least one expansion element disposed between two of the passes of the condensation means configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass.
  • the expansion element corresponds, for example, to a second turbine in the expansion circuit, which is in addition to the expansion element.
  • the separation device comprises a purification device and a separator, the separator being disposed between the condensation device and the purification device, the separator being configured to operate a separation between a liquid phase comprising mainly carbon dioxide present in the gases emitted by the consumer and a vapor phase comprising mainly residual gases present in the gases emitted by the consumer.
  • the separator constitutes a primary carbon dioxide separation stage, while the purification device forms a secondary separation stage.
  • the primary separation stage is designed to recover both the carbon dioxide in liquid form and the residual gases in vapor form.
  • the secondary separation stage purifies the carbon dioxide in its liquid state by extracting gases still dissolved in the liquid carbon dioxide phase present at the outlet of the primary separation stage.
  • the separator is, for example, a separation vessel.
  • the separator is disposed between the primary pass and one of the passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass.
  • the gases flowing through the pass configured to cool the carbon dioxide-laden gases flowing through the primary pass correspond to the vapor phase separated by the separator.
  • the condensation means comprises a secondary pass disposed between the separator and the purification device, said secondary pass being configured to be used by a phase liquid consisting mainly of carbon dioxide present in the gases emitted by the consumer.
  • the passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases flowing in the primary pass are thus also configured to cool the liquid phase of the carbon dioxide-laden gases flowing in the secondary pass.
  • the treatment system includes a bypass line of the primary pass of the condensation means, the purification device including a heat exchanger configured to implement heat exchange between the liquid carbon dioxide present in the purification device and the gases charged at least with carbon dioxide.
  • the bypass line is connected to a main line linking the drying unit to the condensation unit, specifically to its condensing unit.
  • This bypass line diverts the carbon dioxide-laden gases from the primary pass, sending them directly to the purification unit.
  • the carbon dioxide-laden gases exchange heat within a heat exchanger in the purification unit, such as a reboiler.
  • the intermediate fluid exchanger is configured to operate a heat exchange between the gases that have flowed through the primary pass and at least the fuel produced from liquefied natural gas stored in the storage tank.
  • Such heat exchange is achieved using an intermediate fluid circulating within the intermediate fluid exchanger, in particular an intermediate fluid operating at a temperature above -56 °C.
  • the intermediate fluid exchanger includes at least one layer configured to be traversed by the fluid circulating in the expansion circuit.
  • This layer configured to be traversed by the fluid circulating in the expansion circuit, is, for example, positioned between the expansion element and one of the passes of the means condensation systems configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass.
  • the intermediate fluid exchanger comprises a primary layer configured to be traversed by the gases that have flowed through the primary pass of the condensation means and a secondary layer disposed between the separator and the purification device, said secondary layer being configured to be traversed by a liquid phase comprising mainly carbon dioxide present in the gases emitted by the consumer.
  • the primary and secondary layers are both intended to be cooled by the intermediate fluid from the intermediate fluid heat exchanger.
  • the processing system includes a heat recovery system disposed between the fuel cell and the compression device.
  • the fuel cell is a solid oxide fuel cell.
  • SOFCs are also referred to as solid oxide fuel cells.
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • the invention further relates to a method of treating gases charged at least with carbon dioxide emitted by a consumer using a treatment system as previously mentioned, comprising a step of supplying the consumer with air and a fuel made from liquefied natural gas, a step of compressing the carbon dioxide-charged gases from the consumer, a step of drying the compressed carbon dioxide-charged gases, a step of condensing the carbon dioxide contained in the dried carbon dioxide-charged gases, and at least one step of separating the condensed carbon dioxide from the other gases contained in the gases emitted by the consumer.
  • both air and a fuel produced from liquefied natural gas are delivered to the consumer.
  • the fuel produced from liquefied natural gas consists, for example, of a mixture of natural gas and water vapor, the natural gas having previously been used in the condensation stage.
  • At least one separation step may correspond to a separation step within the separator, i.e. a primary separation step which allows the separation of a vapor phase of various gases from a liquid phase of carbon dioxide, as well as to a separation step within the purification device, or secondary separation step which is intended to purify the carbon dioxide to the liquid phase by promoting the extraction of gases other than carbon dioxide from the liquid phase of carbon dioxide.
  • the treatment method includes a step of storing carbon dioxide in liquid following the separation step.
  • the carbon dioxide storage step in liquid form takes place within the storage device. This storage step can occur after a carbon dioxide subcooling step following the separation step.
  • the treatment method includes an additional step of compressing the carbon dioxide-laden gases, the additional compression step occurring between the drying step and the condensation step.
  • the treatment method includes two compression stages between which the carbon dioxide-laden gases are dried.
  • FIG. 1 illustrates, schematically, a general view of a system for treating gases loaded with carbon dioxide emitted by a consumer according to the invention
  • FIG. 2 illustrates, schematically, a portion of the processing system of figure 1 which corresponds to a first variant of a first embodiment
  • FIG. 3 illustrates, schematically, a second variant of the portion of the processing system according to the first embodiment of figure 2;
  • FIG. 4 illustrates, schematically, a third variant of the portion of the processing system according to the first embodiment of figure 2;
  • FIG. 5 illustrates, schematically, the portion of the processing system according to a first variant of the second embodiment
  • FIG. 6 illustrates, schematically, a second variant of the portion of the processing system according to the second embodiment of figure 5;
  • FIG. 7 illustrates, schematically, a third variant of the portion of the processing system according to the second embodiment of figure 5;
  • FIG. 8 illustrates, schematically, a fourth variant of the portion of the processing system according to the second embodiment of Figure 5.
  • FIG 1 thus illustrates, schematically, an overview of a treatment system 1 for gases containing at least carbon dioxide according to the invention.
  • the treatment system 1 is intended to equip a floating or land-based structure, particularly for capturing carbon dioxide contained in gases containing at least carbon dioxide emitted by a consumer carried by the structure.
  • This consumer is, in this case, a fuel cell 2.
  • This is a non-limiting example of a consumer for the structure.
  • the fuel cell 2 is configured to supply electrical energy within the structure.
  • Fuel cell 2 is a solid oxide fuel cell, but could alternatively be a molten carbonate fuel cell. It consists of a cathode 4 and an anode 6, which correspond to the two electrodes of fuel cell 2 and are separated from each other by an electrolyte membrane, which in this case is a solid oxide.
  • fuel cell 2 is supplied with air and a fuel. More specifically, the cathode 4 of fuel cell 2 is supplied with air, for example, ambient air within the structure. This ambient air passes through a compressor in the treatment system 1 before being delivered to the cathode 4 of the fuel cell 2. The fuel supplies the anode 6 of the fuel cell 2.
  • the fuel used to supply the anode 6 is, for example, liquefied natural gas previously stored in a storage tank 10 of the facility.
  • the fuel used to supply the anode 6 is a gas resulting from the evaporation of the liquefied natural gas stored in the storage tank 10.
  • conduits which carry natural gas in liquid or vapor form from the storage tank 10 to the anode 6 constitute a supply circuit 12 within the processing system 1.
  • cathode 4 and anode 6 release effluents. More specifically, cathode 4 emits exhaust gases while anode 6 emits gases containing at least carbon dioxide. These gases circulate within the treatment system in a treatment circuit 14.
  • the supply circuit 12 is dedicated to conveying fluid to an inlet of the fuel cell 2, while the circuit treatment 14 is dedicated to the evacuation of fluid from an outlet of this fuel cell 2.
  • the carbon dioxide-laden gases it emits contain, in addition to carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, nitrogen, and water. These carbon dioxide-laden gases have a pressure of approximately one bar and a temperature of approximately 200 °C at the outlet of fuel cell 2.
  • “approximately” refers to pressure and temperature variations of plus or minus 10%.
  • the treatment circuit 14 connects the fuel cell 2 and more specifically its anode 6 to a heat exchanger 16 of the treatment system 1.
  • This heat exchanger 16 is for example a recovery boiler 16.
  • the gases charged with carbon dioxide have a pressure of around one bar and a temperature between 70 and 40 °C.
  • the heat recovery boiler 16 is connected via the treatment circuit 14 to a compression device 18, within which some of the water present in the carbon dioxide-laden gases is discharged through a first water outlet 20.
  • the compression device 18 is connected to a drying device 22 of the treatment system 1, for example a molecular sieve, from which the remaining water present in the carbon dioxide-laden gases is discharged through a second water outlet 24.
  • the compression device 18 is here arranged on the treatment circuit 14 between the heat recovery boiler 16 and the drying device 22, i.e., an inlet of the compression device 18 is connected to an outlet of the heat recovery boiler 16 while an outlet of this compression device 18 is connected to an inlet of the drying device 22.
  • the gases charged with carbon dioxide have a pressure of around 30 bar and a temperature of around 40 °C.
  • the carbon dioxide-laden gases are composed of carbon dioxide, hydrogen, carbon monoxide, and nitrogen, the water having previously been discharged through the first and second water outlet pipes 20, 24.
  • the carbon dioxide-laden gases are conveyed by a main line 26 of the treatment circuit 14 from the drying device 22 to a condensation device 28. It is understood that the main line 26 connects the drying device 22 to the condensation device 28.
  • the compression device 18 may be a multi-stage compressor, or the treatment system 1 may comprise a plurality of compression devices 18.
  • the drying unit 22 is then arranged between two stages of the compression device 18, or between two compression devices 18.
  • Each compression stage due to the pressure increase, generates condensation of the water present in the carbon dioxide-laden gases.
  • the combination of carbon dioxide and liquid water leads to a risk of corrosion. Therefore, arranging the drying unit 22 between two stages of the compression device 18, or between two compression devices 18, prevents corrosion by separating the liquid water generated during the compression stage. This also allows for cost optimization within the treatment system 1, since using a drying step prior to the compression steps would require, due to the large volumetric flow rates of the carbon dioxide-laden gases to be treated, bulky and expensive equipment.
  • the condensation device 28 comprises several stages and subunits which will be detailed later in relation to figures 2 to 8.
  • the condensing unit 28 is configured to cool the carbon dioxide present in the carbon dioxide-laden gases so that it changes state from a vapor to a liquid. To this end, within the condensing unit 28, the carbon dioxide-laden gases are cooled; at the outlet of the condensing unit 28, they thus have a pressure of approximately 15 to 30 bar and a temperature between -40 and -55 °C. At the outlet of the condensation unit 28, the carbon dioxide-laden gases are conveyed to at least one device for separating the carbon dioxide from the remaining gases, hereinafter referred to as residual gases.
  • the carbon dioxide-laden gases are first directed to a separator 30 and then to a purification unit 32.
  • the separator 30 and the purification unit 32 together form a separation device within the treatment system 1.
  • the separator 30 separates a liquid phase of carbon dioxide from a vapor phase of the residual gases.
  • the separator 30 is, for example, a separation vessel.
  • the separator 30 and the purification device 32 correspond to two stages of carbon dioxide separation, the separator 30 being arranged between the condensation device 28 and the purification device 32.
  • the separator 30 constitutes a primary separation stage, which allows the separation within the gases charged with carbon dioxide of this carbon dioxide in liquid form and of the residual gases.
  • the purification device 32 constitutes a secondary separation stage, which purifies carbon dioxide by extracting the gases dissolved within the liquid carbon dioxide.
  • the treatment system 1 comprises a single device for separating the carbon dioxide, i.e., a single separation stage, as will be described later.
  • the purification device 32 is, in particular, a distillation column. Within this purification device 32, the carbon dioxide pressure is between 7 and 15 bar.
  • the purification device 32 is connected by the treatment circuit 14 to a storage device 34.
  • the carbon dioxide is stored in liquid form in the storage device 34 at a pressure between 7 and 15 bar.
  • a subcooling device 36 is interposed between the purification device 32 and the storage device 34. If necessary, this subcooling device allows the carbon dioxide to be brought to a compatible temperature. with the operation of the storage device 34, for example a temperature between -50 °C and -25 °C.
  • the condensing unit 28 is configured to cool carbon dioxide-laden gases by exchanging heat with natural gas from storage tank 10.
  • the natural gas is either liquefied, i.e., in a liquid state, or in the form of vapor, resulting from the evaporation of liquefied natural gas.
  • the condensing unit 28 can operate by exchanging heat between the carbon dioxide-laden gases and another cooling source, for example, a refrigerant or nitrogen.
  • the condensing unit 28 cools carbon dioxide-laden gases using natural gas
  • this natural gas is used within the condensing unit 28 before being used as fuel in the fuel cell 2.
  • the condensing unit 28 here includes at least one condensing means 29, which corresponds to a subunit of the condensing unit 28.
  • the supply circuit 12 connecting the storage tank 10 to the fuel cell 2 and the processing circuit 14 constitute two passes of the condensing means 29.
  • the natural gas has, for example, a pressure of approximately 4 bar and a temperature of approximately -160 °C.
  • the condensing means 29 and the fuel cell 2 the natural gas has, for example, a pressure of approximately 3 bar and a temperature of approximately 40 °C.
  • the condensation device 28 In return for cooling the carbon dioxide-laden gases for the purpose of carbon dioxide capture, the condensation device 28 contributes to warming the natural gas, in particular for the purpose of supplying natural gas in gaseous form as fuel for the fuel cell 2.
  • the treatment system 1 includes a return circuit 38.
  • This return circuit 38 notably connects the condensation device 28, and more specifically its condensation unit 29, to the fuel cell 2.
  • the return circuit 38 thus allows the residual gases to be channeled.
  • the gases, which are rich in carbon dioxide, are either supplied to the fuel cell 2 or removed from the waste system 1.
  • the return circuit 38 has a first branch connected to the fuel cell 2 and a second branch connected to an outlet of the waste system 1. At the outlet of the condensing unit 29, the waste gases have a pressure of approximately 4 bar and a temperature of approximately 40 °C.
  • the return circuit 38 forms a pass of the heat recovery boiler 16, so that the waste gases exchange heat with the carbon dioxide-rich gases supplied to this heat recovery boiler 16 at the outlet of the fuel cell 2. At the outlet of the heat recovery boiler 16, the waste gases have a pressure of approximately 3 bar.
  • the waste gases can be supplied to the fuel cell 2 as fuel or recycled within the waste system 1.
  • the waste gases circulate within the first branch of the return circuit 38, this first branch being connected to the fuel cell 2.
  • some or all of the waste gases can be vented from the waste system 1 using a purge device 40.
  • This purge device 40 is carried by the second branch of the return circuit 38, which is connected to an outlet of the waste system 1.
  • the flow rate of the waste gases through this second branch and via the purge device 40 is controlled to optimize the operation of the fuel cell 2. For example, a percentage of the waste gases vented from the waste system 1 via the device
  • the purge 40 corresponds to 15% of the residual gases circulating within the return circuit 38.
  • the use of the purge device 40 makes it possible in particular to avoid an accumulation of nitrogen within the system of regulation 1.
  • the dispersal system 1 is configured to implement a dispersal method for carbon dioxide-laden gases from the fuel cell 2 according to the invention, which will now be described.
  • the method of operation includes a step of supplying the consumer, here the fuel cell 2, via the supply circuit 12.
  • This step The fuel cell 2 supply can be broken down into a sub-step of supplying the cathode 4 with air that has passed through the compressor, and a sub-step of supplying the anode 6 with fuel prepared from liquefied natural gas (LNG) from the storage tank 10.
  • LNG liquefied natural gas
  • the LNG undergoes a heating step within the condensing unit 28.
  • This heating step consists of an exchange of heat with the carbon dioxide-rich gas, which will be described later.
  • the LNG is converted back into gaseous natural gas.
  • the natural gas used for the heating step can be gaseous natural gas from the storage tank 10.
  • the treatment method includes an energy production stage during which the fuel cell 2 supplies electrical energy to the system it powers.
  • This energy production stage results from redox reactions between the cathode 4 and the anode 6.
  • This energy production stage also produces the effluents from the fuel cell 2, including carbon dioxide-laden gases emitted by the anode 6.
  • the carbon dioxide-laden gases are sent, via the treatment circuit 14, to the heat recovery boiler 16 where they undergo a cooling stage.
  • the carbon dioxide-laden gases are then transferred, again via the exhaust circuit 14, to the compression device 18 where a further compression stage takes place.
  • the compression step is followed by a drying step of the carbon dioxide-laden gases in the drying device 22.
  • the compression device 18 comprises several compression stages or where the treatment system 1 comprises a plurality of compression devices 18, the carbon dioxide-laden gases flow, in this order, through a first stage or first compression device 18, through the drying unit 22, and then through a second stage or second compression device 18.
  • the compression stage(s) and the drying step allow the removal of water contained in the carbon dioxide-laden gases. carbon, which is discharged from the treatment system 1 respectively through the first water outlet conduit 20 and the second water outlet conduit 24.
  • the treatment method continues by capturing the carbon dioxide contained in the carbon dioxide-laden gases.
  • the treatment method includes a step of condensing the carbon dioxide within the condensation device 28. This condensation step uses natural gas in liquid or gaseous form from the storage tank 10 as the cooling source.
  • the carbon dioxide-laden gases then undergo at least one separation stage.
  • the carbon dioxide-laden gases undergo a first separation stage, or primary separation, within separator 30, which allows the separation of the carbon dioxide in liquid form from the residual gases in gaseous phase.
  • the liquid phase of carbon dioxide then undergoes a second separation stage, or secondary separation, within the purification device 32, which allows the liquid carbon dioxide to be separated from the residual gases that are dissolved within it.
  • the treatment method finally includes a step of storing carbon dioxide in liquid form in the storage device 34.
  • the treatment method includes a subcooling step within the subcooling device 36 between the separation step, where applicable the second separation step, and the storage step.
  • condensation stage can be implemented in different ways depending on the various possible configurations of the condensation device 28. Different embodiments of the treatment system 1 according to the invention will now be described with respect to figures 2 to 8, in particular to detail the operation of this condensation device 28.
  • Figures 2 to 4 represent variants of a first embodiment of the treatment system 1, in which the treatment system 1 comprises only a device for separating carbon dioxide, here only the device for purification 32.
  • the separation device of the treatment system 1 then corresponds solely to the purification device 32.
  • Figures 5 to 8 illustrate variants of a second embodiment in which the treatment system 1 comprises both the separator 30 and the purification device 32.
  • the separation device of the treatment system 1 then corresponds to an assembly formed by the separator 30 and the purification device 32.
  • the condensation means 29 has four passes. Among these four passes, the condensation means 29 includes a primary pass 42 which is configured to carry the carbon dioxide-laden gases from the drying device 32. Thus, the primary pass 42 forms part of the main line connecting this drying device 32 to the condensation means 29.
  • the primary pass 42 is configured to exchange heat with the other passes. Therefore, the other passes of the condensing unit 29 are configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42.
  • the condensing unit 29 includes a cooling pass 44 which is configured to channel, as appropriate, the natural gas in liquid form from the storage tank 10, the natural gas in vapor form from the storage tank 10, or the refrigerant.
  • the passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42 include a first pass 46 and a second pass 48, both of which are configured to channel fluids that have passed through the primary pass 42 and at least one other component of the treatment system 1.
  • these fluids correspond to the carbon dioxide-laden gases once they have been treated within at least one other component of the treatment system 1, for example the purification device 32.
  • these fluids correspond for example to the residual gases separated from carbon dioxide, or to the carbon dioxide separated from the residual gases.
  • the first pass 46 is configured to receive the residual gases from the purification device 32.
  • the purification device 32 is therefore located between the primary pass 42 and the first pass 46. Once they have passed through this first pass 46, the residual gases circulate within the return circuit 38 and are thus directed, depending on the case, to the purge device 40 or to the fuel cell 2.
  • the return circuit 38 includes a pressure-reducing valve 49 located on the first branch of the return circuit 38, between the condensing element 29 of the condensing device 28 and the fuel cell 2. The pressure-reducing valve 49 allows adjustment of the pressure of the residual gases returned to the fuel cell 2.
  • a portion of the carbon dioxide that has been separated from the residual gases within the purification device 32 is sent to the storage device 34.
  • the treatment circuit 14 includes a bypass line 58 of the condensation means 29 and more specifically of its primary pass 42.
  • This bypass line 58 is connected on the one hand to the main line 26 between the drying device 22 and the condensation means 29 and on the other hand connected to a heat exchanger 50 of the purification device 32.
  • This heat exchanger is here a reboiler.
  • the carbon dioxide-laden gases using the bypass line 58 are, after passing through the heat exchanger 50, returned to the condensation unit 29 within which they are channeled into a dedicated pass 60.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating within the primary pass 42 and the carbon dioxide-laden gases circulating within the dedicated pass 60 are then mixed within a pipe of the treatment circuit 14 linking the primary pass 42 of the condensation unit 29 to the purification device 32.
  • the second pass 48 is configured here to be fed by liquid from the bottom of the purification device 32. This is possible thanks to the presence of the bypass line 58, which allows a portion of the carbon dioxide-laden gases to be drawn off and cooled by the liquid present in the bottom of the purification device 32. This portion of the carbon dioxide-laden gases then passes into the heat exchanger 50 and then through the dedicated pass 60 before being mixed with the carbon dioxide-laden gases that have passed through the primary pass 42.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42 exchange heat on the one hand with the cooling pass 44 which channels the natural gas from the storage tank 10, on the other hand with the first pass 46 which channels the separated residual gases within the purification device 32, and finally with the second pass 48 which channels carbon dioxide from the heat exchanger 50 of the purification device 32.
  • the carbon dioxide circulating within the second pass 48 is recycled to the purification device 32; in other words, the second pass 48 is connected to this purification device 32 by at least one line of the treatment circuit 14.
  • the treatment circuit 14 of the treatment system 1 includes an intermediate fluid heat exchanger 52.
  • the intermediate fluid heat exchanger 52 is a subunit of the condensing device 28, as is the condensing unit 29.
  • the intermediate fluid heat exchanger 52 includes a primary layer 54 configured to carry the gases that have flowed through the primary pass 42 of the condensing unit 29, i.e., the gases containing carbon dioxide.
  • the intermediate fluid heat exchanger 52 also includes a layer configured to cool the carbon dioxide-laden gases flowing through the primary layer 54, which is a cooling layer 56. This cooling layer 56 is configured to carry the natural gas in vapor or liquid form, or the refrigerant.
  • this intermediate fluid has a phase change temperature between -56 and -45 °C.
  • the condensation unit 29 has the primary pass 42, the cooling pass 44 and the first pass 46 connected as they were described in relation to the first variant of Figure 2.
  • the cooling pass 44 of the condensation unit 29 is connected to the cooling layer 56 of the intermediate fluid exchanger by a conduit of the treatment circuit 14.
  • the primary pass 42 of the condensation unit 29 is connected to the primary layer 54 of the intermediate fluid exchanger by a conduit of the treatment circuit 14.
  • the treatment circuit 14 includes the bypass line 58 of the primary pass 42 of the condensing unit 29, which is connected on the one hand to the main line 26 between the drying unit 22 and the condensing unit 29, and on the other hand to the heat exchanger 50 of the purification unit 32.
  • the carbon dioxide-laden gases that travel along this bypass line 58 are, after passing through the heat exchanger 50, returned to the condensing unit 29, where they are channeled into the dedicated pass 60.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating within the primary pass 42 and the carbon dioxide-laden gases circulating within the dedicated pass 60 are then mixed within the conduit of the treatment circuit 14 connecting the primary pass 42 of the condensing unit. 29 to the primary layer 54 of the intermediate fluid exchanger 52.
  • a third variant of the first embodiment is illustrated in Figure 4.
  • the treatment system 1 lacks the intermediate fluid exchanger 52 mentioned in connection with the second variant in Figure 3.
  • the third variant includes the primary pass 42, the cooling pass 44 and the second pass 48, which have been described above.
  • the treatment system 1 has the bypass line 58 which allows a portion of the gases charged with carbon dioxide to be circulated to the heat exchanger 50 of the purification device 52 before this portion is returned to the dedicated pass 60 of the condensation means 29.
  • the third variant differs from the first variant in Figure 2 in that the first pass 46 of the condensing unit 29 is not directly connected to the return circuit 38 at the outlet of this condensing unit 29.
  • the treatment circuit 14 includes an expansion circuit 62 connected to the first pass 46 of the condensing unit 29.
  • This expansion circuit 62 is designed to utilize the pressure of the decarbonized gases for cooling purposes, through isentropic expansion.
  • the expansion circuit 62 includes an expansion device 64, for example, a turbine, in which the isentropic expansion takes place.
  • the expansion circuit 62 forms a loop around the condensing unit 29. Thus, it is connected on one side to the first pass 46 and on the other side to a third pass 66 of the condensing unit 29, this third pass 66 being one of the passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42.
  • the expansion device 64 is therefore located between the first pass 46 and the third pass 66. Consequently, in the third variant, the residual gases separated within the purification device 32 circulate within the first pass 46, then within the expansion circuit 62 in which they are released via the expansion device 64, then within the third pass 66 of the condensing unit 29, and finally within the return circuit 38.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42 exchange heat with the cooling pass 44, which channels the natural gas from the storage tank. 10; with the first pass 46 which channels the separated residual gases within the purification device 32; with the second pass 48 which channels carbon dioxide from the heat exchanger 50 of the purification device 32; and with the third pass 66 which channels the residual gases which have been released by the expansion device 64.
  • this second embodiment includes both the separator 30 and the purification device 32.
  • the condensation means 29 comprises four passes, among which the primary pass 42 channels the carbon dioxide-laden gases from the main line 26 connecting the drying device 22 to the condensation means 29.
  • the condensation means 29 also comprises, at the level of its passes configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42, the cooling pass 44 which channels the natural gas from the storage tank 10 or the refrigerant.
  • the primary pass 42 is connected to the separator 30, which is configured to separate the liquid phase carbon dioxide from the vapor phase of the waste gases.
  • the separator 30 is connected to the primary pass 42 by a line from the treatment circuit 14.
  • the separator 30 is further connected to the condenser 29 by a fluid circulation line to the vapor separator 68, configured to channel the vapor phase of the waste gases, and by a circulation line 70, configured to channel carbon dioxide to the liquid separator from the separator 30.
  • the fluid circulation line to the vapor separator 68 is connected to the first pass 46 of the condensing unit 29, which is itself connected to the return circuit 38.
  • the carbon dioxide circulation line 70 to the liquid separator is connected to a secondary pass 72 of the condensing unit 29.
  • This secondary pass 72 is therefore dedicated to the circulation of the liquid phase of carbon dioxide.
  • the secondary pass 72 of the condensing unit 29 is connected to the purification device 32.
  • the secondary pass 72 is located between the separator 30 and the purification device 32.
  • a pressure relief valve can be placed on a pipe of the treatment circuit 14 connecting the secondary pass 72 to the purification device 32.
  • the treatment circuit 14 includes the bypass line 58 of the primary pass 42 of the condensing unit 29.
  • this bypass line 58 is not connected to a dedicated pass 60 of the condensing unit 29; rather, it bypasses the condensing unit 29. It is thus connected downstream of the condensing unit 29 to the conduit of the treatment circuit 14 which connects this condensing unit 29 to the separator 30.
  • Such a connection of the bypass line 58 occurs after a heat exchange with the heat exchanger 50 of the purification device 32.
  • the treatment system 1 includes the expansion circuit 62.
  • This expansion circuit 62 here includes the expansion member 64 as well as an expansion element 74.
  • the expansion member 64 is, for example, a first turbine of the expansion circuit 62 while the expansion element 74 is a second turbine of this expansion circuit 62.
  • the condensation means 29 has the primary pass 42, the secondary pass 72 and the cooling pass 44 as described in the first variant of the second embodiment of Figure 5.
  • the first pass 46 configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the The primary pass 42 is connected first to the expansion circuit 62, then to the return circuit 38. More precisely, in this second variant, the fluid circulation line to the steam generator 68 is connected to the first pass 46 of the condensing unit 29, which is itself connected to a first loop 61 of the expansion circuit 62 carrying the expansion element 64. This first loop 61 of the expansion circuit 62 carrying the expansion element 64 is connected to the third pass 66 of the condensing unit 29, which is itself connected to a second loop 63 of the expansion circuit 62 carrying the expansion element 74. This second loop 63 of the expansion circuit 62 carrying the expansion element 74 is connected to a fourth pass 76 of the condensing unit.
  • this condensation unit 29 which is itself connected to the return circuit 38. It is thus understood that the expansion member 64 and the expansion element 74 are both arranged between two passes of the condensation unit 29 configured to cool the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42. It should be noted that in this second variant, due to the diversion line 73 of the treatment circuit 14 which directly connects the purification device 32 to the return circuit 38 without passing through the condensation unit 29, this condensation unit 29 is devoid of the second pass 48 which was described previously.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42 exchange heat with the cooling pass 44, which channels the natural gas from the storage tank 10; and with the first pass 46, which channels the residual gases separated within the separator.
  • the treatment system 1 here includes the fluid exchanger Intermediate 52.
  • the intermediate fluid heat exchanger 52 comprises the primary layer 54, which is configured to channel the gases that have flowed through the primary pass 42 of the condensing unit 29, and the cooling layer 56, which is configured to channel natural gas in vapor or liquid form, or the refrigerant, as described previously in the first embodiment.
  • the cooling layer 56 is connected to the cooling pass 44 of the condensing unit 29.
  • the separator 30 is arranged between the primary layer 54 of the intermediate fluid exchanger 52 and a secondary layer 78 of this intermediate fluid exchanger 52.
  • the secondary layer 78 is arranged between the separator 30 and the purification device 32, and more particularly between the liquid fluid circulation line 70 of the separator 30 and the purification device 32.
  • the secondary layer 78 is thus configured to channel the liquid phase of the carbon dioxide that has been separated from the residual gases in the gaseous phase, within the separator 30.
  • the residual gases separated within the purification device 32 circulate within the bypass line 73 of the treatment circuit 14 which bypasses the condensation means 29 to connect directly to the return circuit 38.
  • the vapor fluid circulation line 68 is connected to the first pass 46 of the condensing unit 29, which is itself connected to the expansion circuit 62. More specifically, the first pass 46 of the condensing unit 29 is connected to the first loop 61 of the expansion circuit 62, which carries the expansion element 64. This first loop 61 of the expansion circuit 62, carrying the expansion element 64, is connected to the third pass 66 of the condensing unit 29, which is itself connected to the second loop 63 of the expansion circuit 62, which carries the expansion element 74. This second loop 63 of the expansion circuit 62, which carries the expansion element 74, is connected to a temperature-reducing layer 80 of the intermediate fluid heat exchanger 52.
  • This temperature-reducing layer 80 is configured, in conjunction with the layer of Cooling 56, to cool the carbon dioxide-laden gases circulating within the primary layer 54, as well as the liquid phase of carbon dioxide circulating within the secondary layer 78, via the intermediate fluid contained in the intermediate fluid exchanger 52.
  • the temperature reduction layer 80 is connected to the fourth pass 76 of the condensing unit 29, which is itself connected to the return circuit 38.
  • the condensing unit 29 does not have a second pass 48 as described above since the bypass line 73 directly connects the purification device 32 to the return circuit 38, bypassing the condensing unit 29.
  • the fluids circulating within the primary layer 54 and the secondary layer 78 exchange heat with the intermediate fluid, thereby lowering their temperature.
  • the fluids circulating within the cooling layer 56 and the temperature-reducing layer 80 exchange heat with the intermediate fluid, thereby raising their temperature.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42 exchange heat with the cooling pass 44, which channels the natural gas from the storage tank 10, this natural gas having been previously heated in the cooling layer 56 of the intermediate fluid exchanger 52; with the first pass 46, which channels the residual gases separated within the separator 30; with the third pass 66, which channels the residual gases that have been expanded by the expansion element 64; and with the fourth pass 76, which channels the residual gases that have been expanded by the expansion element 74 and that have been heated in the temperature reduction layer 80 of the intermediate fluid exchanger 52.
  • the intermediate fluid exchanger 52 is an exchanger with at least four layers.
  • FIG. 8 illustrates a fourth variant of the second embodiment.
  • the treatment system 1 shows the intermediate fluid heat exchanger 52.
  • the intermediate fluid heat exchanger 52 here includes the primary layer 54 which is configured to channel the gases that have flowed through the primary pass 42 of the condensing unit 29 and the cooling channel 56 which is configured to channel the natural gas to the vapor or liquid vapor or the refrigerant before they pass through the cooling pass 44 of the condensing unit 29.
  • the fluid circulation line to the steam generator 68 is connected to the first pass 46 of the condensing unit 29, which is itself connected to the expansion circuit 62.
  • the first pass 46 of the condensing unit 29 is more specifically connected to the first loop 61 of the expansion circuit 62, which carries the expansion element 64.
  • This first loop 61 of the expansion circuit 62, carrying the expansion element 64 is connected to the third pass 66 of the condensing unit 29, which is itself connected to the second loop 63 of the expansion circuit 62, which carries the expansion element 74.
  • the second loop 63 of the expansion circuit 62 which carries the expansion element 74, is not connected to the temperature-reducing layer 80; a connection to the temperature-reducing layer 80 is not made. not present in the fourth variant. Rather, the second loop 63 of the expansion circuit 62 which carries the expansion element 74 is connected to the fourth pass 76 of the condensation means 29, which is itself connected to the return circuit 38.
  • the carbon dioxide-laden gases circulating in the primary pass 42 exchange heat with the cooling pass 44 which channels the natural gas from the storage tank 10, this natural gas having previously been heated in the cooling layer 56 of the intermediate fluid exchanger 52; with the first pass 46 which channels the residual gases separated within the separator 30; with the third pass 66 which channels the residual gases which have been released by the expansion element 64; and with the fourth pass 76 which channels the residual gases which have been released by the expansion element 74.
  • the intermediate fluid heat exchanger 52 is a heat exchanger with at least three layers.
  • a configuration of The intermediate fluid heat exchanger is possible when the temperature at the outlet of the expansion element 74 is above the freezing point of carbon dioxide, i.e., above -56 °C. If, on the other hand, the temperature at the outlet of the expansion element 74 is below -56 °C, it is necessary to provide additional cooling within the intermediate fluid heat exchanger 52 using the temperature-lowering sheet 80, as described in the third variant of the second embodiment of Figure 7.
  • variants of the first embodiment that would include both the detent member 64 and the detent element 74 within the detent circuit 62, or conversely, variants of the second embodiment comprising only the detent member 64 in the detent circuit 62.
  • the present invention thus proposes a system and a method for treating carbon dioxide-laden gases from a consumer which do not require post-combustion of these carbon dioxide-laden gases.

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Abstract

La présente invention concerne un système de traitement (1) de gaz chargés en dioxyde de carbone émis par un consommateur, comprenant une cuve de stockage (10) de gaz naturel liquéfié, un consommateur configuré pour être alimenté par un carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié stocké dans la cuve de stockage (10), un dispositif de compression (18) des gaz chargés en dioxyde de carbone, un dispositif de séchage (22) de ces gaz chargés en dioxyde de carbone, un dispositif de condensation (28) du dioxyde de carbone présent dans les gaz chargés en dioxyde de carbone et un dispositif de séparation (30, 32) du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur, le dispositif de condensation (28) étant disposé entre le dispositif de séchage (22) et le dispositif de séparation (30, 32).

Description

DESCRIPTION
Titre : Système de traitement de gaz chargés en dioxyde de carbone émis par un consommateur
La présente invention concerne le domaine des gaz rejetés par des consommateurs, et plus particulièrement les méthodes mises en œuvre pour traiter de tels gaz.
Lorsqu’une source d’émission de gaz chargés en dioxyde de carbone est en cours de fonctionnement, des gaz chargés en dioxyde de carbone sont générés. Ces gaz sont généralement largués dans l’atmosphère, ce qui induit des dégâts environnementaux notamment à cause du dioxyde de carbone qu’ils contiennent. Il est donc judicieux de traiter les gaz chargés en dioxyde de carbone issus d’une source d’émission de gaz afin d’y extraire le dioxyde de carbone en vue de l’exploiter pour une utilisation ou une commercialisation ultérieure.
La source d’émission peut consister en une pile à combustible par exemple, ou bien plus généralement tout dispositif qui dégage un flux de gaz chargé en dioxyde de carbone. Dans ce qui suit, l’invention sera décrite à titre d’exemple dans le cadre de piles à combustible ; toutefois, l’invention ne s’y limite nullement.
Les piles à combustible sont des dispositifs capables de générer de l’électricité à partir d’une réaction d’oxydo-réduction. Les piles à combustible comprennent classiquement deux électrodes, à savoir une anode et une cathode, entre lesquelles est interposée une membrane d’électrolytes. L’anode est alimentée en un carburant ou combustible réducteur tandis que la cathode est alimentée par un oxydant, par exemple l’oxygène contenu dans l’air, la membrane d’électrolytes permettant le passage des ions oxygène de la cathode vers l’anode.
Il existe des piles à combustible à oxydes solides, aussi connues sous l’acronyme anglais SOFC pour solid oxide fuel cells. Dans ces piles à combustible à oxydes solides, qui fonctionnent généralement à très hautes températures, la membrane d’électrolytes comprend des oxydes solides. Ces piles à combustible à oxydes solides sont par exemple utilisées pour fournir de l’énergie électrique au sein d’un ouvrage flottant. La pile à combustible consomme du carburant et rejette, en sortie de son anode, des gaz d’échappement. Ces gaz d’échappement contiennent notamment du dioxyde de carbone et il est alors nécessaire de mettre en œuvre des méthodes de traitement de ces gaz d’échappement afin de limiter les rejets de dioxyde de carbone.
Il est connu de l’art antérieur de conserver le dioxyde de carbone sous sa forme la plus pure possible afin d’améliorer l’efficacité de sa capture. Pour ce faire, on évite de diluer l’effluent de l’anode avec l’effluent de la cathode, en gardant séparés ces deux effluents en sortie de la pile à combustible. On réalise ensuite une post-combustion de l’effluent de l’anode avec de l’oxygène pur, de sorte à récupérer du dioxyde de carbone qu’il est nécessaire de stocker. Il faut cependant disposer d’oxygène pur pour réaliser cette postcombustion, ce qui implique un stockage d’oxygène pur au sein de l’ouvrage flottant ou bien encore la présence d’une unité de production d’oxygène. Ces deux solutions entraînent des coûts élevés et induisent un encombrement qu’il est difficile de conjuguer avec l’espace disponible sur un ouvrage flottant.
La présente invention vise à pallier cet inconvénient en proposant un système et une méthode de traitement des gaz d’échappement d’un consommateur qui, en s’affranchissant de l’étape de post-combustion, permettent notamment de limiter les contraintes liées à l’utilisation d’oxygène pur.
La présente invention a ainsi pour principal objet un système de traitement de gaz chargés au moins en dioxyde de carbone émis par un consommateur, comprenant une cuve de stockage de gaz naturel liquéfié, un consommateur configuré pour être alimenté par un carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié stocké dans la cuve de stockage, un dispositif de compression des gaz chargés en dioxyde de carbone, un dispositif de séchage de ces gaz chargés en dioxyde de carbone, un dispositif de condensation du dioxyde de carbone présent dans les gaz chargés en dioxyde de carbone et un dispositif de séparation du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur, le dispositif de condensation étant disposé entre le dispositif de séchage et le dispositif de séparation. Le système de traitement selon l’invention est configuré pour traiter le dioxyde de carbone présent au sein de gaz d’échappement émis par un consommateur. Ce consommateur est par exemple destiné à la production d’énergie électrique au sein d’un ouvrage flottant, le consommateur pouvant notamment être une pile à combustible. De façon plus générale, le système de traitement est adapté au traitement d’un flux de gaz chargés en dioxyde de carbone dont la concentration en dioxyde de carbone est d’au moins 20 % molaire.
Le système de traitement permet de successivement comprimer, sécher et condenser les gaz chargés en dioxyde de carbone émis par le consommateur, respectivement à l’aide d’un dispositif de compression, d’un dispositif de séchage et d’un dispositif de condensation. Le dioxyde de carbone est ensuite séparé du reste des gaz d’échappement à l’aide d’au moins un dispositif de séparation du dioxyde de carbone. Ce dispositif de séparation comprend au moins un dispositif de purification, qui est par exemple une colonne de distillation. Son rôle est d’extraire du dioxyde de carbone à l’état liquide les éventuels gaz dissous dans cette phase liquide.
Le dispositif de séparation est configuré pour opérer une séparation du dioxyde de carbone d’une part et de gaz résiduels d’autre part. Le dispositif de séparation est à cet effet relié à au moins une conduite de circulation du dioxyde de carbone sous forme liquide, et au moins une conduite de circulation des gaz résiduels.
La présence du dispositif de séparation au sein du système de traitement permet de stocker le dioxyde de carbone sous forme liquide au-dessus du point triple du dioxyde de carbone ; cela permet de stocker de grandes quantités de dioxyde de carbone sous forme liquide avant de l’exporter par exemple vers une chaîne de séquestration, en vue d’une réinjection dans le sous-sol après pompage ou vaporisation, ou éventuellement avant qu’il ne subisse un traitement, par exemple une conversion en méthane de synthèse.
Le dispositif de séparation se distingue d’autres dispositifs tels que les machines à glace carbonique, qui ont vocation à former du dioxyde de carbone sous forme solide en vue d’un stockage à une pression et une température inférieure au point triple du dioxyde de carbone. La capacité d’une machine à glace carbonique est moindre par rapport au dispositif de séparation, qui est par ailleurs moins coûteux et ne nécessite pas d’apport d’énergie.
Le dispositif de condensation est disposé entre le dispositif de séchage et le dispositif de séparation. On entend ici par « entre » une disposition fluidique plutôt qu’une disposition physique ; en d’autres termes, au sein d’une installation qui reçoit le système de traitement les composants peuvent être organisés physiquement de façon indifférente, dès lors que ces composants respectent fluidiquement un ordre selon lequel le dispositif de séchage reçoit les gaz chargés en dioxyde de carbone avant le dispositif de condensation, qui lui-même les reçoit avant le dispositif de séparation. Notamment, on entend ici que deux dispositifs du système de traitement sont « reliés » lorsqu’ils sont connectés l’un à l’autre par une conduite du système de traitement, sans qu’aucun autre composant de traitement ne soit interposé entre les deux dispositifs. En d’autres termes, la sortie du premier dispositif est reliée par une simple conduite à l’entrée du second dispositif, de sorte que les gaz chargés en dioxyde de carbone ne subissent aucun traitement ou échange de calories lors de leur passage du premier dispositif au second dispositif.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif de condensation est configuré pour opérer un échange de chaleur entre les gaz chargés en dioxyde de carbone et au moins le gaz naturel à l’état liquide et/ou le gaz naturel à l’état vapeur, ce gaz naturel étant issu de la cuve de stockage.
Au sein du dispositif de condensation les gaz chargés en dioxyde de carbone échangent des calories soit avec le gaz naturel à l’état liquide uniquement, soit avec le gaz naturel à l’état vapeur uniquement, soit avec les deux. Le gaz naturel à l’état vapeur est par exemple un gaz résultant de l’évaporation naturelle du gaz naturel liquéfié, aussi connu sous l’appellation anglaise boil-off gas (BOG).
De façon alternative au gaz naturel liquéfié à l’état liquide et au gaz naturel liquéfié à l’état vapeur, les gaz chargés en dioxyde de carbone peuvent échanger des calories avec un fluide réfrigérant. Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif de condensation comprend un moyen de condensation et un échangeur à fluide intermédiaire disposé en série du moyen de condensation, le fluide intermédiaire ayant une température de changement de phase comprise entre -56 °C et -45 °C.
Le moyen de condensation et l’échangeur à fluide intermédiaire constituent deux sous- unités du dispositif de condensation. L’échangeur à fluide intermédiaire a pour but d’éviter un givrage du dioxyde de carbone contenu dans les gaz chargés en dioxyde de carbone dont la température de givrage est de -56 °C.
Comme les flux de gaz naturel liquéfié ou de gaz décarboné sont destinés à être introduits dans le dispositif de condensation à des températures très inférieures à -56 °C, par exemple de l’ordre de -160 °C dans le cas du gaz naturel liquéfié, en l’absence d’échangeur à fluide intermédiaire les températures de peau des tubes avec lesquels le gaz chargé en dioxyde de carbone serait en contact seraient très inférieures à -56 °C, ce qui entraînerait la solidification du dioxyde de carbone et par conséquent le bouchage de du dispositif de condensation.
Il est donc nécessaire d’utiliser un échangeur à fluide intermédiaire. Le fluide intermédiaire se vaporise en condensant le dioxyde de carbone contenu dans le gaz chargé en dioxyde de carbone et se condense en échangeant de la chaleur avec le gaz naturel liquéfié et/ ou et le gaz décarboné. Les températures de condensation et d’évaporation sont identiques ou très proches, la température de ce fluide intermédiaire étant contrôlée à un niveau supérieur ou égal à -56 °C qui permet d’éliminer les risques de congélation du dioxyde de carbone. Le fluide intermédiaire est par exemple du R410A.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de traitement comprend un dispositif de stockage de dioxyde de carbone à l’état liquide.
Le dispositif de stockage est disposé en aval du dispositif de séparation. Le dispositif de stockage est par exemple relié au dispositif de séparation directement ou relié à un dispositif de sous-refroidissement lui-même relié au dispositif de séparation. Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le consommateur est une pile à combustible comprenant une anode et une cathode, le dispositif de compression et le dispositif de séchage étant configurés pour traiter des gaz chargés en dioxyde de carbone émis à l’anode.
La pile à combustible est alimentée d’une part en air qui est acheminé jusqu’à la cathode, et d’autre part avec le carburant stocké dans la cuve qui est acheminé jusqu’à l’anode. La pile à combustible produit de l’énergie électrique à partir de réactions d’oxydoréduction, ce qui résulte en la formation d’effluents à la fois à l’anode et à la cathode. Ce sont les gaz chargés en dioxyde de carbone émis par l’anode qui ont vocation à être traités à l’aide du système de traitement.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de traitement comprend au moins un circuit de retour reliant le dispositif de condensation à la pile à combustible et configuré pour canaliser des gaz résiduels séparés par le dispositif de séparation.
Le circuit de retour permet un recyclage des gaz émis par l’anode au sein du système de traitement. Plus précisément, le circuit de retour permet un recyclage des gaz résiduels une fois que le dioxyde de carbone a été retiré du flux des gaz émis par l’anode.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le circuit de retour est équipé d’un organe de purge configuré pour évacuer les gaz résiduels qui circulent dans le circuit de retour.
Cet organe de purge est une alternative au renvoi des gaz résiduels vers la pile à combustible. Il permet par exemple de renvoyer à l’air libre les gaz résiduels.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le circuit de retour est équipé d’une vanne de détente configurée pour abaisser la pression des gaz résiduels qui circulent dans le circuit de retour, avant leurs entrées dans la pile à combustible.
Au sein du circuit de retour, la vanne de détente permet d’adapter une pression des gaz résiduels avant leur recyclage vers la pile à combustible.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le moyen de condensation comprend une passe primaire configurée pour être empruntée par les gaz chargés en dioxyde de carbone et une pluralité de passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire.
Les gaz chargés en dioxyde de carbone circulent dans le moyen de condensation au sein de la passe primaire, qui correspond à une passe qu’il est nécessaire de refroidir. Pour ce faire, le moyen de condensation présente au moins deux passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone. Le moyen de condensation comprend au moins une passe alimentée, selon les modes de réalisation, par du gaz naturel provenant de la cuve de stockage à l’érar liquide er/ou à l’érar vapeur ou par le fluide réfrigérant, ainsi qu’au moins une passe qui est traversée par un fluide provenant d’autres composants du système de traitement. La présence de différentes passes permet d’améliorer le refroidissement des gaz chargés en dioxyde de carbone circulant au sein de la passe primaire.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de traitement comprend un circuit de détente comprenant au moins un organe de détente disposé entre deux des passes du moyen de condensation configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire.
Le circuit de détente est configuré pour abaisser une pression du fluide circulant en son sein. L’organe de détente est par exemple une turbine.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif de séparation est disposé entre la passe primaire et l’une des passes du moyen de condensation configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire.
Ainsi, les gaz circulant dans la passe configurée pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone correspondent aux gaz résiduels extraits de la phase liquide par le dispositif de séparation.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le moyen de condensation comprend au moins trois passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire, le circuit de détente comprenant au moins un élément de détente disposé entre deux des passes du moyen de condensation configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire.
L’élément de détente correspond par exemple à une deuxième turbine du circuit de détente, qui vient en supplément de l’organe de détente.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le dispositif de séparation comprend un dispositif de purification et un séparateur, le séparateur étant disposé entre le dispositif de condensation et le dispositif de purification, le séparateur étant configuré pour opérer une séparation entre une phase liquide comprenant principalement du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur et une phase vapeur comprenant principalement des gaz résiduels présents dans les gaz émis par le consommateur.
Au sein du dispositif de séparation, le séparateur correspond à un étage de séparation primaire du dioxyde de carbone tandis que le dispositif de purification forme un étage de séparation secondaire. L’étage de séparation primaire est destiné à permettre la récupération d’une part du dioxyde de carbone en phase liquide et d’autre part des gaz résiduels en phase vapeur. Au contraire, l’étage de séparation secondaire permet de purifier le dioxyde de carbone à l’état liquide, en extrayant de cette phase liquide des gaz encore dissous dans la phase liquide de dioxyde de carbone présente en sortie de l’étage de séparation primaire. Le séparateur est par exemple un ballon de séparation.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le séparateur est disposé entre la passe primaire et l’une des passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire.
Ainsi, les gaz circulant dans la passe configurée pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire correspondent à la phase vapeur séparée par le séparateur.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le moyen de condensation comprend une passe secondaire disposée entre le séparateur et le dispositif de purification, ladite passe secondaire étant configurée pour être empruntée par une phase liquide comprenant principalement du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur.
Les passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire sont ainsi également configurées pour refroidir la phase liquide des gaz chargés en dioxyde de carbone qui circule dans la passe secondaire.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de traitement comprend une ligne de contournement de la passe primaire du moyen de condensation, le dispositif de purification comprenant un échangeur de chaleur configuré pour mettre en œuvre un échange chaleur entre le dioxyde de carbone à l’état liquide présent dans le dispositif de purification et les gaz chargés au moins en dioxyde de carbone.
La ligne de contournement est raccordée sur une ligne principale reliant le dispositif de séchage au dispositif de condensation, plus précisément à son moyen de condensation. Cette ligne de contournement permet de détourner les gaz chargés en dioxyde de carbone de la passe primaire afin de les envoyer directement vers le dispositif de purification. Les gaz chargés en dioxyde de carbone échangent des calories au sein d’un échangeur de chaleur du dispositif de purification, qui est par exemple un rebouilleur.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’échangeur à fluide intermédiaire est configuré pour opérer un échange de chaleur entre les gaz ayant circulé dans la passe primaire et au moins le carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié stocké dans la cuve de stockage.
Un tel échange de chaleur est réalisé à l’aide d’un fluide intermédiaire circulant au sein de l’échangeur à fluide intermédiaire, notamment un fluide intermédiaire fonctionnant à une température supérieure à -56 °C.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’échangeur à fluide intermédiaire comprend au moins une nappe configurée pour être parcourue par le fluide circulant dans le circuit de détente.
Cette nappe configurée pour être parcourue par le fluide circulant dans le circuit de détente est par exemple disposée entre l’élément de détente et l’une des passes du moyen de condensation configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’échangeur à fluide intermédiaire comprend une nappe primaire configurée pour être traversée par les gaz ayant circulé dans la passe primaire du moyen de condensation et une nappe secondaire disposée entre le séparateur et le dispositif de purification, ladite nappe secondaire étant configurée pour être empruntée par une phase liquide comprenant principalement du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur.
La nappe primaire et la nappe secondaire sont toutes deux destinées à être refroidies par le fluide intermédiaire de l’échangeur à fluide intermédiaire.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, le système de traitement comprend un système de récupération de chaleur disposé entre la pile à combustible et le dispositif de compression.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la pile à combustible est une pile à combustible à oxyde solide.
On parle également de SOFC selon l’acronyme anglais solid oxide fuel cell. Alternativement, un autre type de pile à combustible envisageable est une pile à combustible à carbonate fondu ou MCFC molten carbonate fuel cell).
L’invention concerne en outre une méthode de traitement de gaz chargés au moins en dioxyde de carbone émis par un consommateur à l’aide d’un système de traitement tel qu’évoqué précédemment, comprenant une étape d’alimentation du consommateur en air et en un carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié, une étape de compression des gaz chargés en dioxyde de carbone issus du consommateur, une étape de séchage des gaz chargés en dioxyde de carbone comprimés, une étape de condensation du dioxyde de carbone contenu dans les gaz chargés en dioxyde de carbone séchés, et au moins une étape de séparation du dioxyde de carbone condensé par rapport aux autres gaz contenus dans les gaz émis par le consommateur. Au cours de l’étape d’alimentation, à la fois de l’air et un carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié sont acheminés vers le consommateur. Le carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié consiste par exemple en un mélange de gaz naturel et de vapeur d’eau, le gaz naturel ayant préalablement été utilisé lors de l’étape de condensation.
L’au moins une étape de séparation peur correspondre à une étape de séparation au sein du séparateur, c'esr-à-dire une étape de séparation primaire qui permet de séparer une phase vapeur de divers gaz d’une phase liquide du dioxyde de carbone, ainsi qu’à une étape de séparation au sein du dispositif de purification, ou étape de séparation secondaire qui est destinée à purifier le dioxyde de carbone à l’érar liquide en favorisant une extraction de gaz autre que le dioxyde de carbone hors de la phase liquide de dioxyde de carbone.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la méthode de traitement comprend une étape de stockage du dioxyde de carbone à l’érar liquide à la suite de l’étape de séparation.
L’étape de stockage du dioxyde de carbone à l’érar liquide a lieu au sein du dispositif de stockage. Cerre étape de stockage peur avoir lieu à l’issue d’une étape de sous- refroidissemenr du dioxyde de carbone intervenant après l’étape de séparation.
Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la méthode de traitement comprend une étape additionnelle de compression des gaz chargés en dioxyde de carbone, l’étape additionnelle de compression intervenant entre l’étape de séchage et l’étape de condensation.
Dans ce cas, la méthode de traitement comprend deux étapes de compression entre lesquelles les gaz chargés en dioxyde de carbone sont séchés.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et d’exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins annexés d’autre part, sur lesquels :
[Fig. 1] illustre, schématiquement, une vue générale d’un système de traitement de gaz chargés en dioxyde de carbone émis par un consommateur selon l’invention ; [Fig. 2] illustre, schématiquement, une portion du système de traitement de la figure 1 qui correspond à une première variante d’un premier mode de réalisation ;
[Fig. 3] illustre, schématiquement, une deuxième variante de la portion du système de traitement selon le premier mode de réalisation de la figure 2 ;
[Fig. 4] illustre, schématiquement, une troisième variante de la portion du système de traitement selon le premier mode de réalisation de la figure 2 ;
[Fig. 5] illustre, schématiquement, la portion du système de traitement selon une première variante du deuxième mode de réalisation ;
[Fig. 6] illustre, schématiquement, une deuxième variante de la portion du système de traitement selon le deuxième mode de réalisation de la figure 5 ;
[Fig. 7] illustre, schématiquement, une troisième variante de la portion du système de traitement selon le deuxième mode de réalisation de la figure 5 ;
[Fig. 8] illustre, schématiquement, une quatrième variante de la portion du système de traitement selon le deuxième mode de réalisation de la figure 5.
Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes par rapport aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique et/ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Sur les figures, le sens de circulation des fluides au sein des conduites est illustré par des flèches, un tel sens faisant partie intégrante du présent texte.
La figure 1 illustre ainsi, schématiquement, une vue d’ensemble d’un système de traitement 1 de gaz chargés au moins en dioxyde de carbone selon l’invention. Le système de traitement 1 est destiné à équiper un ouvrage flottant ou terrestre en vue notamment de la capture du dioxyde de carbone contenu dans des gaz chargés au moins en dioxyde de carbone émis par un consommateur porté par l’ouvrage. Ce consommateur est ici une pile à combustible 2. Il s’agit d’un exemple non limitatif du consommateur de l’ouvrage. La pile à combustible 2 est configurée pour la fourniture d’énergie électrique au sein de l’ouvrage.
La pile à combustible 2 est ici une pile à combustible à oxydes solides, mais pourrait alternativement être une pile à combustible à carbonate fondu. Elle est composée d’une cathode 4 et d’une anode 6, qui correspondent aux deux électrodes de la pile à combustible 2 et qui sont séparées l’une de l’autre par une membrane d’électrolyte qui est ici un oxyde solide. En vue de fournir de l’énergie électrique, la pile à combustible 2 est alimentée d’une part en air et d’autre part en un carburant. Plus précisément, la cathode 4 de la pile à combustible 2 est alimentée en air, par exemple en air ambiant au sein de l’ouvrage. Cet air ambiant traverse un compresseur du système de traitement 1 avant d’être acheminé jusqu’à la cathode 4 de la pile à combustible 2. Le carburant alimente l’anode 6 de la pile à combustible 2. Le carburant utilisé pour alimenter l’anode 6 est par exemple du gaz naturel liquéfié auparavant stocké au sein d’une cuve de stockage 10 de l’ouvrage. De façon alternative, le carburant utilisé pour alimenter l’anode 6 est un gaz issu de l’évaporation du gaz naturel liquéfié stocké au sein de la cuve de stockage 10.
Les conduits qui acheminent le gaz naturel à l’état liquide ou à l’état vapeur de la cuve de stockage 10 jusqu’à l’anode 6 constituent un circuit d’alimentation 12 au sein du système de traitement 1.
Au terme de la production d’énergie, la cathode 4 et l’anode 6 rejettent des effluents. Plus particulièrement, la cathode 4 émet des gaz d’évacuation tandis que l’anode 6 émet des gaz chargés au moins en dioxyde de carbone. Ces gaz circulent au sein du système de traitement dans un circuit de traitement 14. Ainsi, le circuit d’alimentation 12 est dédié à l’acheminement de fluide vers une entrée de la pile à combustible 2 alors que le circuit de traitement 14 est dédié à l’évacuation de fluide depuis une sortie de cette pile à combustible 2.
En sortie de la pile à combustible 2, les gaz chargés en dioxyde de carbone qu’elle émet contiennent, outre ce dioxyde de carbone, de l’hydrogène, du monoxyde de carbone, de l’azote et de l’eau. Les gaz chargés en dioxyde de carbone présentent, à la sortie de la pile à combustible 2, une pression de l’ordre d’un bar et une température de l’ordre de 200 °C. On entend ici par « de l’ordre de » des variations de pression et de température de plus ou moins 10 %.
Le circuit de traitement 14 relie la pile à combustible 2 et plus précisément son anode 6 à un échangeur de chaleur 16 du système de traitement 1. Cet échangeur de chaleur 16 est par exemple une chaudière de récupération 16. En sortie de la chaudière de récupération 16, les gaz chargés en dioxyde de carbone ont une pression de l’ordre d’un bar et une température comprise entre 70 et 40 °C. La chaudière de récupération 16 est reliée par le circuit de traitement 14 à un dispositif de compression 18, au sein duquel une partie de l’eau présente dans les gaz chargés en dioxyde de carbone est évacuée par un premier conduit de sortie d’eau 20. Dans les modes de réalisation illustrés sur les figures, le dispositif de compression 18 est relié à un dispositif de séchage 22 du système de traitement 1 , par exemple un tamis moléculaire, à partir duquel le reste de l’eau présente dans les gaz chargés en dioxyde de carbone est évacuée par un deuxième conduit de sortie d’eau 24. On comprend de ce qui précède que le dispositif de compression 18 est ici disposé sur le circuit de traitement 14 entre la chaudière de récupération 16 et le dispositif de séchage 22, c'est-à-dire qu’une entrée du dispositif de compression 18 est raccordée à une sortie de la chaudière de récupération 16 tandis qu’une sortie de ce dispositif de compression 18 est raccordée à une entrée du dispositif de séchage 22.
Entre le dispositif de compression 18 et le dispositif de séchage 22, les gaz chargés en dioxyde de carbone ont une pression de l’ordre de 30 bar et une température de l’ordre de 40 °C. En sortie du dispositif de séchage 22, les gaz chargés en dioxyde de carbone sont composés de dioxyde de carbone, d’hydrogène, de monoxyde de carbone et d’azote, l’eau ayant été auparavant évacuée par les premier et deuxième conduits de sortie d’eau 20, 24. Dans les modes de réalisation présentés ici, les gaz chargés en dioxyde de carbone sont acheminés par une ligne principale 26 du circuit de traitement 14 depuis le dispositif de séchage 22 jusqu’à un dispositif de condensation 28. On comprend que la ligne principale 26 relie le dispositif de séchage 22 au dispositif de condensation 28.
Toutefois, dans des modes de réalisation non représentés ici, le dispositif de compression 18 peut être un compresseur multi-étagé, ou bien le système de traitement 1 peut comprendre une pluralité de dispositifs de compression 18. Le cas échéant, l’unité de séchage 22 est alors disposée entre deux étages du dispositif de compression 18, ou entre deux dispositifs de compression 18. Chaque étape de compression génère en effet, du fait de l’augmentation de la pression, la condensation de l’eau présente dans les gaz chargés en dioxyde de carbone. Or, l’association entre le dioxyde de carbone et l’eau liquide entraîne des risques de corrosion. La disposition de l’unité de séchage 22 entre deux étages du dispositif de compression 18 ou entre deux dispositifs de compression 18 permet donc d’éviter la corrosion en séparant l’eau liquide générée lors de l’étape de compression. Cela permet par ailleurs d’optimiser les coûts au sein du système de traitement 1 , puisque le recours à une étape de séchage préalablement aux étapes de compression nécessiterait, du fait des débits volumiques importants des gaz chargés en dioxyde de carbone à traiter, des équipements volumineux et onéreux.
Le dispositif de condensation 28 comprend plusieurs étages et sous-unités qui seront détaillés par la suite en relation avec les figures 2 à 8.
Le dispositif de condensation 28 est configuré pour refroidir le dioxyde de carbone présent dans les gaz chargés en dioxyde de carbone de manière à ce que celui-ci change d’état, en passant d’un état vapeur à un état liquide. À cet effet, au sein du dispositif de condensation 28, les gaz chargés en dioxyde de carbone sont refroidis ; en sortie du dispositif de condensation 28, ils présentent ainsi une pression de l’ordre de 15 à 30 bar et une température comprise entre — 40 et — 55 °C. En sortie du dispositif de condensation 28, les gaz chargés en dioxyde de carbone sont acheminés jusqu’à au moins un appareil permettant de séparer le dioxyde de carbone du reste des gaz, ci- après appelés gaz résiduels. Les gaz chargés en dioxyde de carbone sont ici conduits jusqu’à un séparateur 30 en premier lieu puis jusqu’à un dispositif de purification 32, le séparateur 30 et le dispositif de purification 32 participant ici tous deux à former un dispositif de séparation du système de traitement 1. Le séparateur 30 permet de séparer une phase liquide de dioxyde de carbone et une phase vapeur des gaz résiduels. Le séparateur 30 est par exemple un ballon de séparation.
Le séparateur 30 et le dispositif de purification 32 correspondent à deux étages de séparation du dioxyde carbone, le séparateur 30 étant disposé entre le dispositif de condensation 28 et le dispositif de purification 32. Le séparateur 30 constitue un étage de séparation primaire, qui permet de séparer au sein des gaz chargés en dioxyde de carbone d’une part ce dioxyde de carbone sous forme liquide et d’autre part les gaz résiduels.
Le dispositif de purification 32 constitue un étage de séparation secondaire, qui permet de purifier le dioxyde de carbone en extrayant les gaz dissous au sein du dioxyde de carbone à l’état liquide. On pourrait également envisager des modes de réalisation dans lesquels le système de traitement 1 comprend un unique appareil permettant de séparer le dioxyde de carbone, c'est-à-dire un seul étage de séparation, comme cela sera présenté par la suite.
Le dispositif de purification 32 est notamment une colonne de distillation. Au sein de ce dispositif de purification 32, la pression du dioxyde de carbone est comprise entre 7 et 15 bar. Le dispositif de purification 32 est relié par le circuit de traitement 14 à un dispositif de stockage 34. Le dioxyde de carbone est stocké sous forme liquide dans le dispositif de stockage 34 à une pression comprise entre 7 et 15 bar. Dans certains modes de réalisation, un dispositif de sous-refroidissement 36 est interposé entre le dispositif de purification 32 et le dispositif de stockage 34. Le cas échéant, ce dispositif de sous- refroidissement permet d’amener le dioxyde de carbone à une température compatible avec le fonctionnement du dispositif de stockage 34, par exemple une température comprise entre — 50 °C et — 25 °C.
Tel que cela sera décrit par la suite, le dispositif de condensation 28 est configuré pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone par échange de calories avec le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10. Le gaz naturel est soit liquéfié, c'est-à-dire à l’état liquide, soit sous la forme d’un gaz issu de l’évaporation du gaz naturel liquéfié, c'est-à-dire à l’état vapeur. Alternativement, le dispositif de condensation 28 peut fonctionner en échangeant des calories entre les gaz chargés en dioxyde de carbone et une autre source de froid, par exemple un fluide réfrigérant ou de l’azote.
Dans les cas où le dispositif de condensation 28 permet de refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone à l’aide du gaz naturel, on comprend que ce gaz naturel est exploité au sein du dispositif de condensation 28 avant d’être utilisé comme carburant au sein de la pile à combustible 2. Le dispositif de condensation 28 comprend ici au moins un moyen de condensation 29, qui correspond à une sous-unité du dispositif de condensation 28. Le circuit d’alimentation 12 reliant la cuve de stockage 10 à la pile à combustible 2 et le circuit de traitement 14 constituent deux passes du moyen de condensation 29. Entre la cuve de stockage 10 et le moyen de condensation 29, le gaz naturel présente par exemple une pression de l’ordre de 4 bar et une température de l’ordre de — 160 °C. Entre le moyen de condensation 29 et la pile à combustible 2, le gaz naturel a par exemple une pression de l’ordre de 3 bar et une température de l’ordre de 40 °C.
En contrepartie du refroidissement des gaz chargés en dioxyde de carbone en vue de la capture de dioxyde de carbone, le dispositif de condensation 28 participe au réchauffement du gaz naturel, notamment en vue de fournir le gaz naturel à l’état gazeux en tant que carburant pour la pile à combustible 2.
Outre le circuit d’alimentation 12 et le circuit de traitement 14, le système de traitement 1 comprend un circuit de retour 38. Ce circuit de retour 38 permet notamment de relier le dispositif de condensation 28, et plus précisément son moyen de condensation 29, à la pile à combustible 2. Le circuit de retour 38 permet ainsi de canaliser les gaz résiduels issus des gaz chargés en dioxyde de carbone, soir pour les fournir à la pile à combustible 2 soir pour les évacuer du système de rrairemenr 1. Le circuit de retour 38 présente à cer effet une première branche qui est reliée à la pile à combustible 2 et une deuxième branche qui est reliée à une sortie du système de rrairemenr 1. En sortie du moyen de condensation 29, les gaz résiduels présentent une pression de l’ordre de 4 bar et une température de l’ordre de 40 °C. Le circuit de retour 38 forme une passe de la chaudière de récupération 16, de sorte que les gaz résiduels échangent des calories avec les gaz chargés en dioxyde de carbone fournis à cerre chaudière de récupération 16 en sortie de la pile à combustible 2. À la sortie de la chaudière de récupération 16, les gaz résiduels ont une pression de l’ordre de 3 bar.
Après avoir traversé la chaudière de récupération 16, les gaz résiduels peuvent être fournis à la pile à combustible 2 en tant que carburant ou afin de les recycler au sein du système de rrairemenr 1. Dans ce cas, les gaz résiduels circulent au sein de la première branche du circuit de retour 38, cerre première branche étant reliée à la pile à combustible 2. De façon alternative, une partie ou la totalité des gaz résiduels peur être évacuée du système de rrairemenr 1 à l’aide d’un organe de purge 40. Cer organe de purge 40 est porté par la deuxième branche du circuit de retour 38 qui est reliée à une sortie du système de rrairemenr 1. Un débit des gaz résiduels empruntant cerre deuxième branche et passant par l’organe de purge 40 est contrôlé de sorte à optimiser le fonctionnement de la pile à combustible 2. À rirre d’exemple, un pourcentage des gaz résiduels qui sont évacués du système de rrairemenr 1 par l’ intermédiaire de l’organe de purge 40 correspond à 15 % des gaz résiduels circulant au sein du circuit de retour 38. L’utilisarion de l’organe de purge 40 permet notamment d’éviter une accumulation d’azote au sein du système de rrairemenr 1.
Le système de rrairemenr 1 est configuré pour mettre en œuvre une méthode de rrairemenr des gaz chargés en dioxyde de carbone de la pile à combustible 2 selon l’invenrion, qui va maintenant être décrire.
La méthode de rrairemenr comprend une étape d’alimenrarion du consommateur, ici la pile à combustible 2, par l’ intermédiaire du circuit d’alimenrarion 12. Cerre étape d’alimentation de la pile à combustible 2 peut être décomposée en une sous-étape d’alimentation de la cathode 4 avec de l’air ayant traversé le compresseur, et une sous- étape d’alimentation de l’anode 6 avec le carburant préparé à partir du gaz naturel liquéfié issu de la cuve de stockage 10. À cet effet, le gaz naturel liquéfié subit une étape de réchauffement au sein du dispositif de condensation 28. Cette étape de réchauffement consiste en un échange de calories avec les gaz chargés en dioxyde de carbone, qui sera décrit par la suite. À l’issue de l’étape de réchauffement, le gaz naturel liquéfié est transformé en gaz naturel à l’état gazeux. De façon alternative, le gaz naturel qui est utilisé pour l’étape de réchauffement peut être du gaz naturel à l’état gazeux issu de la cuve de stockage 10.
À la suite de l’étape d’alimentation, la méthode de traitement comprend une étape de production d’énergie au cours de laquelle la pile à combustible 2 fournit de l’énergie électrique à l’ouvrage qu’elle équipe. Cette étape de production d’énergie est le résultat de réactions d’oxydo-réduction entre la cathode 4 et l’anode 6. Cette étape de production d’énergie produit par ailleurs les effluents de la pile à combustible 2, et notamment les gaz chargés en dioxyde de carbone émis par l’anode 6.
Les gaz chargés en dioxyde de carbone sont envoyés, par l’intermédiaire du circuit de traitement 14, vers la chaudière de récupération 16 au sein de laquelle ils subissent une étape de refroidissement. Les gaz chargés en dioxyde de carbone sont ensuite transférés, toujours via le circuit d’évacuation 14, au dispositif de compression 18 où se déroule une étape de compression des gaz chargés en dioxyde de carbone. L’étape de compression est suivie par une étape de séchage des gaz chargés en dioxyde de carbone dans le dispositif de séchage 22. Dans les modes de réalisation précités où le dispositif de compression 18 comprend plusieurs étages de compression ou dans lequel le système de traitement 1 comprend une pluralité de dispositifs de compression 18, les gaz chargés en dioxyde de carbone circulent, dans cet ordre, au sein d’un premier étage ou d’un premier dispositif de compression 18, au sein de l’unité de séchage 22, puis au sein d’un deuxième étage ou d’un deuxième dispositif de compression 18. La ou les étapes de compression et l’étape de séchage permettent le retrait de l’eau contenue dans les gaz chargés en dioxyde de carbone, qui est évacuée hors du système de traitement 1 respectivement par le premier conduit de sortie d’eau 20 et le deuxième conduit de sortie d’eau 24.
La méthode de traitement se poursuit par la capture du dioxyde de carbone contenu dans les gaz chargés en dioxyde de carbone. Pour ce faire, la méthode de traitement comprend une étape de condensation du dioxyde de carbone au sein du dispositif de condensation 28. Cette étape de condensation utilise comme source de froid le gaz naturel à l’état liquide ou à l’état gazeux issu de la cuve de stockage 10.
Les gaz chargés en dioxyde de carbone subissent ensuite au moins une étape de séparation. Les gaz chargés en dioxyde de carbone subissent ici une première étape de séparation, ou séparation primaire, au sein du séparateur 30, qui permet de séparer d’une part le dioxyde de carbone à l’état liquide et d’autre part les gaz résiduels en phase gazeuse.
La phase liquide du dioxyde de carbone subit alors une deuxième étape de séparation, ou séparation secondaire, au sein du dispositif de purification 32, qui permet de séparer le dioxyde de carbone liquide des gaz résiduels qui sont dissous en son sein.
La méthode de traitement comprend enfin une étape de stockage du dioxyde de carbone sous forme liquide dans le dispositif de stockage 34. Eventuellement, la méthode de traitement comprend une étape de sous-refroidissement au sein du dispositif de sous- refroidissement 36 entre l’étape de séparation, le cas échéant la deuxième étape de séparation, et l’étape de stockage.
Il est à noter que l’étape de condensation peut être mise en œuvre de différentes façons selon les diverses configurations possibles du dispositif de condensation 28. Différents modes de réalisation du système de traitement 1 selon l’invention vont maintenant être décrits relativement aux figures 2 à 8, notamment pour détailler le fonctionnement de ce dispositif de condensation 28.
Les figures 2 à 4 représentent des variantes d’un premier mode de réalisation du système de traitement 1 , dans lesquelles le système de traitement 1 comprend uniquement un appareil permettant de séparer le dioxyde de carbone, ici uniquement le dispositif de purification 32. Le dispositif de séparation du système de traitement 1 correspond alors uniquement au dispositif de purification 32. Les figures 5 à 8 illustrent des variantes d’un deuxième mode de réalisation dans lequel le système de traitement 1 comprend à la fois le séparateur 30 et le dispositif de purification 32. Le dispositif de séparation du système de traitement 1 correspond alors à un ensemble formé par le séparateur 30 et le dispositif de purification 32. Il est à noter que, sauf mention contraire ou incompatibilité manifeste, les caractéristiques décrites en relation avec l’une des variantes ou l’un des modes de réalisation est applicable, mutatis mutandis, à d’autres variantes ou modes de réalisation.
Une première variante du premier mode de réalisation va désormais être détaillée en relation avec la figure 2. Dans cette variante, le moyen de condensation 29 présente quatre passes. Parmi ces quatre passes, le moyen de condensation 29 comporte une passe primaire 42 qui est configurée pour être empruntée par les gaz chargés en dioxyde de carbone provenant du dispositif de séchage 32. Ainsi, la passe primaire 42 est constitutive de la ligne principale qui relie ce dispositif de séchage 32 au moyen de condensation 29.
La passe primaire 42 est configurée pour échanger des calories avec les autres passes. De ce fait, les autres passes du moyen de condensation 29 correspondent à des passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42. Au titre de ces passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42, le moyen de condensation 29 comprend ici une passe de refroidissement 44 qui est configurée pour canaliser, selon les cas, le gaz naturel à l’état liquide issu de la cuve de stockage 10, le gaz naturel à l’état vapeur issu de la cuve de stockage 10 ou encore le fluide réfrigérant. Outre cette passe de refroidissement 44, les passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 comprennent une première passe 46 et une deuxième passe 48 qui sont toutes deux configurées pour canaliser des fluides ayant traversé la passe primaire 42 et au moins un autre composant du système de traitement 1. En d’autres termes, ces fluides correspondent aux gaz chargés en dioxyde de carbone une fois qu’ils ont été traités au sein d’au moins un autre composant du système de traitement 1, par exemple le dispositif de purification 32. Ainsi, ces fluides correspondent par exemple aux gaz résiduels séparés du dioxyde de carbone, ou bien encore au dioxyde de carbone séparé des gaz résiduels.
À la figure 2, la première passe 46 est configurée pour recevoir les gaz résiduels issus du dispositif de purification 32. Le dispositif de purification 32 est donc ici disposé entre la passe primaire 42 et la première passe 46. Une fois qu’ils ont traversé cette première passe 46, les gaz résiduels circulent au sein du circuit de retour 38 et sont donc selon les cas dirigés vers l’organe de purge 40 ou vers la pile à combustible 2. Le circuit de retour 38 comprend une vanne de détente 49 disposée, sur la première branche du circuit de retour 38, entre le moyen de condensation 29 du dispositif de condensation 28 et la pile à combustible 2. La vanne de détente 49 permet d’adapter une pression des gaz résiduels renvoyés vers la pile à combustible 2.
Une portion du dioxyde de carbone ayant été séparé des gaz résiduels au sein du dispositif de purification 32 est envoyée vers le dispositif de stockage 34.
De façon notable, dans la première variante du premier mode de réalisation, le circuit de traitement 14 comprend une ligne de contournement 58 du moyen de condensation 29 et plus précisément de sa passe primaire 42. Cette ligne de contournement 58 est d’une part raccordée à la ligne principale 26 entre le dispositif de séchage 22 et le moyen de condensation 29 et d’autre part raccordée à un échangeur de chaleur 50 du dispositif de purification 32. Cet échangeur de chaleur est ici un rebouilleur. Les gaz chargés en dioxyde de carbone empruntant la ligne de contournement 58 sont, après avoir traversé l’échangeur de chaleur 50, renvoyés vers le moyen de condensation 29 au sein duquel ils sont canalisés dans une passe dédiée 60. Les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant au sein de la passe primaire 42 et les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant au sein de la passe dédiée 60 sont ensuite mélangés au sein d’une conduite du circuit de traitement 14 reliant la passe primaire 42 du moyen de condensation 29 au dispositif de purification 32. La deuxième passe 48 est ici configurée pour être alimentée par du liquide issu d’un fond du dispositif de purification 32. Ceci est possible grâce à la présence de la ligne de contournement 58, qui permet de soutirer une portion des gaz chargés en dioxyde de carbone afin de la refroidir par le liquide présent dans le fond du dispositif de purification 32. Cette portion des gaz chargés en dioxyde de carbone passe ensuite dans l’échangeur de chaleur 50 puis traverse la passe dédiée 60 avant d’être mélangée avec les gaz chargés en dioxyde de carbone ayant emprunté la passe primaire 42.
Ainsi, dans la première variante du premier mode de réalisation de la figure 2, les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 échangent des calories d’une part avec la passe de refroidissement 44 qui canalise le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10, d’autre part avec la première passe 46 qui canalise les gaz résiduels séparés au sein du dispositif de purification 32, et enfin avec la deuxième passe 48 qui canalise du dioxyde de carbone issu de l’échangeur de chaleur 50 du dispositif de purification 32. Il est à noter que le dioxyde de carbone circulant au sein de la deuxième passe 48 est recyclé vers le dispositif de purification 32 ; en d’autres termes, la deuxième passe 48 est reliée à ce dispositif de purification 32 par au moins une conduite du circuit de traitement 14.
Une deuxième variante du premier mode de réalisation est détaillée à la figure 3. Dans cette deuxième variante, le circuit de traitement 14 du système de traitement 1 comprend un échangeur à fluide intermédiaire 52. L’échangeur à fluide intermédiaire 52 correspond à une sous-unité du dispositif de condensation 28, au même titre que le moyen de condensation 29. L’échangeur à fluide intermédiaire 52 comporte ici une nappe primaire 54 qui est configurée pour être traversée par les gaz ayant circulé dans la passe primaire 42 du moyen de condensation 29, c'est-à-dire les gaz chargés en dioxyde de carbone. L’échangeur à fluide intermédiaire 52 comprend par ailleurs une nappe configurée pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la nappe primaire 54, qui correspond ici à une nappe de refroidissement 56. Cette nappe de refroidissement 56 est configurée pour canaliser le gaz naturel à l’état vapeur ou à l’état liquide ou encore le fluide réfrigérant. Les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la nappe primaire 54 er le gaz naturel ou le fluide réfrigérant circulant dans la nappe de refroidissement 56 échangent des calories par le truchement d’un fluide intermédiaire confiné au sein de l’échangeur à fluide intermédiaire 52. À rirre d’exemple, ce fluide intermédiaire a une température de changement de phase comprise entre — 56 er - 45 °C.
Dans cerre deuxième variante du premier mode de réalisation, le moyen de condensation 29 présente la passe primaire 42, la passe de refroidissement 44 er la première passe 46 relies qu’elles ont été décrites en relation avec la première variante de la figure 2. La passe de refroidissement 44 du moyen de condensation 29 est reliée à la nappe de refroidissement 56 de l’échangeur à fluide intermédiaire par une conduire du circuit de traitement 14. Similairement, la passe primaire 42 du moyen de condensation 29 est reliée à la nappe primaire 54 de l’échangeur à fluide intermédiaire par une conduire du circuit de traitement 14.
Comme cela a été déraillé pour la première variante du premier mode de réalisation, dans la deuxième variante du premier mode de réalisation, le circuit de traitement 14 comprend la ligne de contournement 58 de la passe primaire 42 du moyen de condensation 29 qui est d’une part raccordée à la ligne principale 26 entre le dispositif de séchage 22 er le moyen de condensation 29 er d’autre part raccordée à l’échangeur de chaleur 50 du dispositif de purification 32. Les gaz chargés en dioxyde de carbone qui empruntent cerre ligne de contournement 58 sont, après avoir traversé l’échangeur de chaleur 50, renvoyés vers le moyen de condensation 29 au sein duquel ils sont canalisés dans la passe dédiée 60. Les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant au sein de la passe primaire 42 er les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant au sein de la passe dédiée 60 sont ensuite mélangés au sein de la conduire du circuit de traitement 14 reliant la passe primaire 42 du moyen de condensation 29 à la nappe primaire 54 de l’échangeur à fluide intermédiaire 52.
Une troisième variante du premier mode de réalisation est illustrée en figure 4. Dans cerre troisième variante, le système de traitement 1 est dépourvu de l’échangeur à fluide intermédiaire 52 évoqué en relation avec la deuxième variante de la figure 3. En comparaison avec la première variante et la deuxième variante, la troisième variante reprend la passe primaire 42, la passe de refroidissement 44 et la deuxième passe 48 relies qu’elles ont été décrites ci- avant.
À l’instar de la première variante et de la deuxième variante, le système de traitement 1 selon la troisième variante présente la ligne de contournement 58 qui permet de faire circuler une portion des gaz chargés en dioxyde de carbone jusqu’à l’échangeur de chaleur 50 du dispositif de purification 52 avant que cerre portion ne soir renvoyée vers la passe dédiée 60 du moyen de condensation 29.
La troisième variante diffère de la première variante de la figure 2 en ce que la première passe 46 du moyen de condensation 29 n’esr pas directement raccordée au circuit de retour 38 en sortie de ce moyen de condensation 29. En effet, dans la troisième variante le circuit de traitement 14 inclut un circuit de détente 62 qui est raccordé à la première passe 46 du moyen de condensation 29. Ce circuit de détente 62 a pour but d’utiliser la pression des gaz décarbonés en vue de l’obrenrion de froid, par une détente isentrope. À cer effet, le circuit de détente 62 comprend ici un organe de détente 64, par exemple une turbine, dans lequel a lieu la détente isentrope.
Le circuit de détente 62 forme une boucle autour du moyen de condensation 29. Ainsi, il est d’une part raccordé à la première passe 46 et d’autre part raccordé à une troisième passe 66 du moyen de condensation 29, cerre troisième passe 66 étant l’une des passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42. L’organe de détente 64 est donc disposé entre la première passe 46 et la troisième passe 66. De ce fair, dans la troisième variante, les gaz résiduels séparés au sein du dispositif de purification 32 circulent au sein de la première passe 46, puis au sein du circuit de détente 62 dans lequel ils sont dérendus par l’inrermédiaire de l’organe de détente 64, puis au sein de la troisième passe 66 du moyen de condensation 29, puis enfin au sein du circuit de retour 38.
Ainsi, dans la troisième variante du premier mode de réalisation de la figure 4, les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 échangent des calories avec la passe de refroidissement 44 qui canalise le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10 ; avec la première passe 46 qui canalise les gaz résiduels séparés au sein du dispositif de purification 32 ; avec la deuxième passe 48 qui canalise du dioxyde de carbone issu de l’échangeur de chaleur 50 du dispositif de purification 32 ; et avec la troisième passe 66 qui canalise les gaz résiduels qui ont été dérendus par l’organe de détente 64.
Le deuxième mode de réalisation du système de traitement 1 va désormais être déraillé relativement aux figures 5 à 7. Pour rappel, ce deuxième mode de réalisation inclut à la fois le séparateur 30 er le dispositif de purification 32.
Une première variante du deuxième mode de réalisation est représentée à la figure 5. Dans cerre première variante, le moyen de condensation 29 comprend quatre passes, parmi lesquelles la passe primaire 42 qui canalise les gaz chargés en dioxyde de carbone provenant de la ligne principale 26 reliant le dispositif de séchage 22 au moyen de condensation 29. Le moyen de condensation 29 comprend également, au rirre de ses passes configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42, la passe de refroidissement 44 qui canalise le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10 ou bien le fluide réfrigérant.
Tel que cela est visible sur la figure 5, la passe primaire 42 est reliée au séparateur 30 qui est configuré pour séparer le dioxyde de carbone en phase liquide er la phase vapeur des gaz résiduels. Le séparateur 30 est relié à la passe primaire 42 par une conduire du circuit de traitement 14. Le séparateur 30 est en outre relié au moyen de condensation 29 par une conduire de circulation de fluide à l’érar vapeur 68 configurée pour canaliser la phase vapeur des gaz résiduels, ainsi que par une conduire de circulation 70 configurée pour canaliser du dioxyde de carbone à l’érar liquide issu du séparateur 30.
La conduire de circulation de fluide à l’érar vapeur 68 est reliée à la première passe 46 du moyen de condensation 29 qui est elle- même reliée au circuit de retour 38. La conduire de circulation 70 du dioxyde de carbone à l’érar liquide est reliée à une passe secondaire 72 du moyen de condensation 29. Cerre passe secondaire 72 est donc dédiée à la circulation de la phase liquide du dioxyde de carbone. La passe secondaire 72 du moyen de condensation 29 est reliée au dispositif de purification 32. De ce fair, la passe secondaire 72 est ici disposée entre le séparateur 30 er le dispositif de purification 32. Par ailleurs, tel que cela est illustré ici une vanne de détente peur être disposée sur une conduire du circuit de traitement 14 reliant la passe secondaire 72 au dispositif de purification 32.
Dans la première variante du deuxième mode de réalisation, le circuit de traitement 14 présente la ligne de contournement 58 de la passe primaire 42 du moyen de condensation 29. Cependant, contrairement à ce qui a été décrit en relation avec le premier mode de réalisation, cerre ligne de contournement 58 n’esr pas reliée à une passe dédiée 60 du moyen de condensation 29 ; plutôt, elle contourne le moyen de condensation 29. Elle est ainsi raccordée en aval du moyen de condensation 29 à la conduire du circuit de traitement 14 qui relie ce moyen de condensation 29 au séparateur 30. Un tel raccordement de la ligne de contournement 58 intervient après un échange de calories avec l’échangeur de chaleur 50 du dispositif de purification 32.
À la figure 5, les gaz résiduels séparés au sein du dispositif de purification 32 ne sont pas renvoyés vers le moyen de condensation 29. On comprend ainsi que les gaz résiduels circulent au sein d’une conduire de déviation 73 du circuit de traitement 14 qui relie directement le dispositif de purification 32 au circuit de retour 38, c'esr-à-dire qui contourne le moyen de condensation 29. Le dioxyde de carbone à l’érar liquide séparé des gaz résiduels au sein du dispositif de purification 32 est ici envoyé vers le dispositif de stockage 34.
Dans une deuxième variante du deuxième mode de réalisation illustrée en figure 6, le système de traitement 1 comprend le circuit de détente 62. Ce circuit de détente 62 comprend ici l’organe de détente 64 ainsi qu’un élément de détente 74. L’organe de détente 64 est par exemple une première turbine du circuit de détente 62 tandis que l’élément de détente 74 est une deuxième turbine de ce circuit de détente 62.
Dans la deuxième variante de la figure 6, le moyen de condensation 29 présente la passe primaire 42, la passe secondaire 72 et la passe de refroidissement 44 telles qu’elles ont été décrites dans la première variante du deuxième mode de réalisation de la figure 5.
Toutefois, contrairement à ce qui a été décrit en relation avec cette figure 5, la première passe 46 configurée pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 est raccordée préalablement au circuit de détente 62, puis au circuit de retour 38. Plus précisément, dans cerre deuxième variante, la conduire de circulation de fluide à l’érar vapeur 68 est reliée à la première passe 46 du moyen de condensation 29, qui est elle- même reliée à une première boucle 61 du circuit de détente 62 porteuse de l’organe de détente 64. Cerre première boucle 61 du circuit de détente 62 porteuse de l’organe de détente 64 est reliée à la troisième passe 66 du moyen de condensation 29, qui est elle-même reliée à une deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 porteuse de l’élément de détente 74. Cerre deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 porteuse de l’élément de détente 74 est reliée à une quatrième passe 76 du moyen de condensation
29 qui est elle-même reliée au circuit de retour 38. On comprend ainsi que l’organe de détente 64 et l’élément de détente 74 sont tous deux disposés entre deux passes du moyen de condensation 29 configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42. Il est à noter que dans cerre deuxième variante, du fair de la conduire de déviation 73 du circuit de traitement 14 qui relie directement le dispositif de purification 32 au circuit de retour 38 sans traverser le moyen de condensation 29, ce moyen de condensation 29 est dépourvu de deuxième passe 48 relie qu’elle a été décrire précédemment.
Ainsi, dans la deuxième variante du deuxième mode de réalisation de la figure 6, les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 échangent des calories avec la passe de refroidissement 44 qui canalise le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10 ; avec la première passe 46 qui canalise les gaz résiduels séparés au sein du séparateur
30 ; avec la troisième passe 66 qui canalise les gaz résiduels qui ont été dérendus par l’organe de détente 64 ; et avec la quatrième passe 76 qui canalise les gaz résiduels qui ont été dérendus par l’élément de détente 74. Cerre double détente successive permet de refroidir plus efficacement les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42.
Une troisième variante du deuxième mode de réalisation va désormais être expliquée en relation avec la figure 7. Cerre troisième variante diffère de la deuxième variante illustrée à la figure 6 en ce que le système de traitement 1 comprend ici l’échangeur à fluide intermédiaire 52. L’échangeur à fluide intermédiaire 52 comprend la nappe primaire 54 qui est configurée pour canaliser les gaz ayant circulé dans la passe primaire 42 du moyen de condensation 29 ainsi que la nappe de refroidissement 56 qui est configurée pour canaliser le gaz naturel à l’état vapeur ou à l’état liquide ou bien le fluide réfrigérant telles qu’elles ont été décrites précédemment dans le premier mode de réalisation. La nappe de refroidissement 56 est reliée à la passe de refroidissement 44 du moyen de condensation 29.
Sur cette figure 7, le séparateur 30 est disposé entre la nappe primaire 54 de l’échangeur à fluide intermédiaire 52 et une nappe secondaire 78 de cet échangeur à fluide intermédiaire 52. La nappe secondaire 78 est disposée entre le séparateur 30 et le dispositif de purification 32, et plus particulièrement entre la conduite de circulation de fluide à l’état liquide 70 du séparateur 30 et le dispositif de purification 32. La nappe secondaire 78 est ainsi configurée pour canaliser la phase liquide du dioxyde de carbone qui a été séparée des gaz résiduels en phase gazeuse, au sein du séparateur 30.
Tout comme cela a été décrit pour la deuxième variante de la figure 6, dans la troisième variante, les gaz résiduels séparés au sein du dispositif de purification 32 circulent au sein de la conduite de déviation 73 du circuit de traitement 14 qui contourne le moyen de condensation 29 pour se raccorder directement au circuit de retour 38.
Dans la troisième variante du deuxième mode de réalisation, la conduite de circulation de fluide à l’état vapeur 68 est reliée à la première passe 46 du moyen de condensation 29 qui est elle-même reliée au circuit de détente 62. La première passe 46 du moyen de condensation 29 est plus spécifiquement reliée à la première boucle 61 du circuit de détente 62 qui est porteuse de l’organe de détente 64. Cette première boucle 61 du circuit de détente 62 porteuse de l’organe de détente 64 est reliée à la troisième passe 66 du moyen de condensation 29, qui est elle-même reliée à la deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 qui porte l’élément de détente 74. Cette deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 qui porte l’élément de détente 74 est reliée à une nappe d’abaissement de température 80 de l’échangeur à fluide intermédiaire 52. Cette nappe d’abaissement de température 80 est configurée, conjointement à la nappe de refroidissement 56, pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant au sein de la nappe primaire 54, ainsi que la phase liquide du dioxyde de carbone circulant au sein de la nappe secondaire 78, via le fluide intermédiaire que contient l’échangeur à fluide intermédiaire 52. La nappe d’abaissement de température 80 est reliée à la quatrième passe 76 du moyen de condensation 29, qui est elle- même reliée au circuit de retour 38. Ici, comme dans la deuxième variante, le moyen de condensation 29 est dépourvu de deuxième passe 48 telle que décrite ci-avant puisque la conduite de déviation 73 relie directement le dispositif de purification 32 au circuit de retour 38, en contournant le moyen de condensation 29.
Au sein de l’échangeur à fluide intermédiaire 52, on comprend donc que les fluides qui circulent au sein de la nappe primaire 54 et de la nappe secondaire 78 échangent des calories avec le fluide intermédiaire de sorte à abaisser leur température. Au contraire, les fluides qui circulent au sein de la nappe de refroidissement 56 et de la nappe d’abaissement de température 80 échangent des calories avec le fluide intermédiaire de sorte à élever leur température.
Ainsi, dans la troisième variante du deuxième mode de réalisation de la figure 7, les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 échangent des calories avec la passe de refroidissement 44 qui canalise le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10, ce gaz naturel ayant préalablement été chauffé dans la nappe de refroidissement 56 de l’échangeur à fluide intermédiaire 52 ; avec la première passe 46 qui canalise les gaz résiduels séparés au sein du séparateur 30 ; avec la troisième passe 66 qui canalise les gaz résiduels qui ont été détendus par l’organe de détente 64 ; et avec la quatrième passe 76 qui canalise les gaz résiduels qui ont été détendus par l’élément de détente 74 et qui ont été chauffés dans la nappe d’abaissement de température 80 de l’échangeur à fluide intermédiaire 52. Dans ce mode de réalisation, l’échangeur à fluide intermédiaire 52 est un échangeur à au moins quatre nappes.
La figure 8 illustre une quatrième variante du deuxième mode de réalisation. Sur cette figure 8, le système de traitement 1 présente l’échangeur à fluide intermédiaire 52. L’échangeur à fluide intermédiaire 52 comprend ici la nappe primaire 54 qui est configurée pour canaliser les gaz ayant circulé dans la passe primaire 42 du moyen de condensation 29 ainsi que la nappe de refroidissement 56 qui est configurée pour canaliser le gaz naturel à l’érar vapeur ou à l’érar liquide ou bien le fluide réfrigérant avant leur passage au sein de la passe de refroidissement 44 du moyen de condensation 29.
Dans cerre quatrième variante, la conduire de circulation de fluide à l’érar vapeur 68 est reliée à la première passe 46 du moyen de condensation 29 qui est elle-même reliée au circuit de détente 62. La première passe 46 du moyen de condensation 29 est plus spécifiquement reliée à la première boucle 61 du circuit de détente 62 qui est porteuse de l’organe de détente 64. Cerre première boucle 61 du circuit de détente 62 porteuse de l’organe de détente 64 est reliée à la troisième passe 66 du moyen de condensation 29, qui est elle-même reliée à la deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 qui porte l’élément de détente 74. À la différence de la troisième variante du deuxième mode de réalisation, dans la quatrième variante la deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 qui porte l’élément de détente 74 n’esr pas reliée à la nappe d’abaissement de température 80, une relie nappe d’abaissement de température 80 n’éranr pas présente dans la quatrième variante. Plutôt, la deuxième boucle 63 du circuit de détente 62 qui porte l’élément de détente 74 est reliée à la quatrième passe 76 du moyen de condensation 29, qui est elle- même reliée au circuit de retour 38.
Ainsi, dans la quatrième variante du deuxième mode de réalisation de la figure 8, les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire 42 échangent des calories avec la passe de refroidissement 44 qui canalise le gaz naturel issu de la cuve de stockage 10, ce gaz naturel ayant préalablement été chauffé dans la nappe de refroidissement 56 de l’échangeur à fluide intermédiaire 52 ; avec la première passe 46 qui canalise les gaz résiduels séparés au sein du séparateur 30 ; avec la troisième passe 66 qui canalise les gaz résiduels qui ont été dérendus par l’organe de détente 64 ; et avec la quatrième passe 76 qui canalise les gaz résiduels qui ont été dérendus par l’élément de détente 74.
Dans cerre quatrième variante du deuxième mode de réalisation, l’échangeur à fluide intermédiaire 52 est un échangeur à au moins trois nappes. Une relie configuration de l’échangeur à fluide intermédiaire est possible lorsqu’une température en sortie de l’élément de détente 74 est supérieure au point de congélation du dioxyde de carbone, c'esr- à-dire supérieure à — 56 °C. Si au contraire la température en sortie de l’élément de détente 74 est inférieure à — 56 °C, il est nécessaire d’opérer un refroidissement supplémentaire au sein de l’échangeur à fluide intermédiaire 52 à l’aide de la nappe d’abaissement de température 80, comme cela a été décrit dans la troisième variante du deuxième mode de réalisation de la figure 7.
Bien entendu et tel que cela a été évoqué ci- avant, il est possible sans sortir du cadre de l’invention d’associer des caractéristiques décrites en relation avec l’une des variantes ou l’un des modes de réalisation avec des caractéristiques décrites relativement à une autre variante ou un autre mode de réalisation. À rirre d’exemple, il est possible d’envisager des variantes du premier mode de réalisation qui comprendraient à la fois l’organe de détente 64 et l’élément de détente 74 au sein du circuit de détente 62, ou à l’inverse des variantes du deuxième mode de réalisation comprenant uniquement l’organe de détente 64 dans le circuit de détente 62.
La présente invention propose ainsi un système er une méthode de traitement des gaz chargés en dioxyde de carbone d’un consommateur qui ne nécessitent pas de post- combusrion de ces gaz chargés en dioxyde de carbone.
La présente invention ne saurait toutefois se limiter aux moyens et configurations décrits et illustrés ici et elle s’étend également à tout moyen et toute configuration équivalents ainsi qu’à toute combinaison techniquement opérante de tels moyens.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de traitement (1) de gaz chargés au moins en dioxyde de carbone et émis par un consommateur, comprenant une cuve de stockage (10) de gaz naturel liquéfié, un consommateur configuré pour être alimenté par un carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié stocké dans la cuve de stockage (10), un dispositif de compression (18) des gaz chargés en dioxyde de carbone, un dispositif de séchage (22) de ces gaz chargés en dioxyde de carbone, un dispositif de condensation (28) du dioxyde de carbone présent dans les gaz chargés en dioxyde de carbone et un dispositif de séparation (30, 32) du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur, le dispositif de condensation (28) étant disposé entre le dispositif de séchage (22) et le dispositif de séparation (30, 32).
2. Système de traitement (1) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de condensation (28) est configuré pour opérer un échange de chaleur entre les gaz chargés en dioxyde de carbone et au moins le gaz naturel à l’état liquide et/ou le gaz naturel à l’état vapeur, ce gaz naturel étant issu de la cuve de stockage (10).
3. Système de traitement (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif de condensation (28) comprend un moyen de condensation (29) et un échangeur à fluide intermédiaire (52) disposé en série du moyen de condensation (29), le fluide intermédiaire ayant une température de changement de phase comprise entre -56 °C et -45 °C.
4. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un dispositif de stockage (34) de dioxyde de carbone à l’état liquide.
5. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le consommateur est une pile à combustible (2) comprenant une anode (6) et une cathode (4), le dispositif de compression (18) et le dispositif de séchage (22) étant configurés pour traiter des gaz chargés en dioxyde de carbone émis à l’anode (6).
6. Système de traitement (1) selon la revendication 5, comprenant au moins un circuit de retour (38) reliant le dispositif de condensation (28) à la pile à combustible (2) et configuré pour canaliser des gaz résiduels séparés par le dispositif de séparation (30, 32).
7. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 en combinaison avec la revendication 3, dans lequel le moyen de condensation (29) comprend une passe primaire (42) configurée pour être empruntée par les gaz chargés en dioxyde de carbone et une pluralité de passes (44, 46, 48, 66, 76) configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire (42).
8. Système de traitement (1) selon la revendication 7, comprenant un circuit de détente (62) comprenant au moins un organe de détente (64) disposé entre deux des passes (44, 46, 48, 66, 76) du moyen de condensation (29) configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire (42).
9. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel le dispositif de séparation (30, 32) est disposé entre la passe primaire (42) et l’une des passes (44, 46, 66, 76) du moyen de condensation (29) configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire (42).
10. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 en combinaison avec la revendication 8, dans lequel le moyen de condensation (29) comprend au moins trois passes (44, 46, 66, 76) configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire (42), le circuit de détente (62) comprenant au moins un élément de détente (74) disposé entre deux des passes (44, 46, 66, 76) du moyen de condensation (29) configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire (42).
11. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le dispositif de séparation (30, 32) comprend un dispositif de purification (32) et un séparateur (30), le séparateur (30) étant disposé entre le dispositif de condensation (28) et le dispositif de purification (32), le séparateur (30) étant configuré pour opérer une séparation entre une phase liquide comprenant principalement du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur et une phase vapeur comprenant principalement des gaz résiduels présents dans les gaz émis par le consommateur.
12. Système de traitement (1) selon la revendication 11 en combinaison avec la revendication 7, dans lequel le séparateur (30) est disposé entre la passe primaire (42) et l’une des passes (44, 46, 48, 66, 76) configurées pour refroidir les gaz chargés en dioxyde de carbone circulant dans la passe primaire (42).
13. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 en combinaison avec les revendications 7 et 11, dans lequel le moyen de condensation (29) comprend une passe secondaire (72) disposée entre le séparateur (30) et le dispositif de purification (32), ladite passe secondaire (72) étant configurée pour être empruntée par une phase liquide comprenant principalement du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur.
14. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 en combinaison avec les revendications 7 et 11, comprenant une ligne de contournement (58) de la passe primaire (42) du moyen de condensation (29), le dispositif de purification (32) comprenant un échangeur de chaleur (50) configuré pour mettre en œuvre un échange de chaleur entre le dioxyde de carbone à l’état liquide présent dans le dispositif de purification (32) et les gaz chargés au moins en dioxyde de carbone.
15. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec les revendications 3 et 7, dans lequel l’échangeur à fluide intermédiaire (52) est configuré pour opérer un échange de chaleur entre les gaz ayant circulé dans la passe primaire (42) et au moins le carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié stocké dans la cuve de stockage (10).
16. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 8, dans lequel l’échangeur à fluide intermédiaire (52) comprend au moins une nappe (80) configurée pour être parcourue par le fluide circulant dans le circuit de détente (62).
17. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes en combinaison avec les revendications 7 et 11 , dans lequel l’échangeur à fluide intermédiaire (52) comprend une nappe primaire (54) configurée pour être traversée par les gaz ayant circulé dans la passe primaire (42) du moyen de condensation (29) et une nappe secondaire (78) disposée entre le séparateur (30) et le dispositif de purification (32), ladite nappe secondaire (78) étant configurée pour être empruntée par une phase liquide comprenant principalement du dioxyde de carbone présent dans les gaz émis par le consommateur.
18. Système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel la pile à combustible (2) est une pile à combustible à oxyde solide.
19. Méthode de traitement de gaz chargés au moins en dioxyde de carbone émis par une pile à combustible (2) à l’aide d’un système de traitement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 18 en combinaison avec la revendication 5, comprenant une étape d’alimentation de la pile à combustible (2) en air et en un carburant élaboré à partir de gaz naturel liquéfié, une étape de compression des gaz chargés en dioxyde de carbone issus de la pile à combustible (2), une étape de séchage des gaz chargés en dioxyde de carbone et comprimés, une étape de condensation du dioxyde de carbone contenu dans les gaz chargés en dioxyde de carbone séchés, et au moins une étape de séparation du dioxyde de carbone condensé par rapport aux autres gaz contenus dans les gaz émis par le consommateur.
20. Méthode de traitement selon la revendication 19, comprenant une étape de stockage du dioxyde de carbone à l’état liquide à la suite de l’étape de séparation.
21. Méthode de traitement selon l'une quelconque des revendications 19 et 20, comprenant une étape additionnelle de compression des gaz chargés en dioxyde de carbone, l’étape additionnelle de compression intervenant entre l’étape de séchage et l’étape de condensation.
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