FR2889971A1 - Prcede de valorisation du gaz de depressurisation d'une unite vpsa co2 - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un procédé PSA de séparation d'un gaz d'alimentation contenant du CO2 mettant en oeuvre plusieurs récipients d'adsorption fonctionnant en parallèle et de manière cyclique. Durant une étape d'adsorption, on alimente l'un des récipients d'adsorption avec le gaz à traiter pour adsorber le CO2 et à produire un gaz décarbonaté. Puis, on réalise une dépressurisation, de durée totale (Tdep) donnée, pour désorber le gaz adsorbé. Pendant la dépressurisation, on récupère successivement un premier gaz (G1, G1a, G1b) de dépressurisation, pendant une première durée T1 de récupération avec T1 < Tdep, et un deuxième gaz (G2, G2a, G2b) de dépressurisation, subséquemment au premier gaz de dépressurisation et pendant une deuxième durée T2 de récupération avec T2 < Tdep et T1 + T2 <= Tdep. Le gaz d'alimentation est un gaz réducteur, typiquement un gaz de sidérurgie, notamment de type gaz de haut-fourneau ou gaz issu d'un procédé COREX, MIDREX ou HYL. L'invention permet de valoriser le gaz de dépressurisation en fonction de l'évolution de sa composition au cours de l'étape de dépressurisation.
Description
La présente invention concerne un procédé PSA, VSA ou VPSA de séparation
par adsorption d'un gaz contenant du CO2.
La capture ou récupération du CO2 gazeux se développe de plus en plus dans l'industrie, par exemple pour limiter les émissions de gaz à effet de serre à l'atmosphère; pour recycler des flux après décarbonatation, ces recyclages permettant d'optimiser des procédés industriels, par exemple les procédés du type COREX / MIDREX ou HYL en sidérurgie; ou encore pour produire du CO2 liquide, gazeux ou supercritique, à différentes puretés, utilisable par exemple dans le domaine alimentaire, dans des réactions de carbonatation ou pour récupérer un fluide secondaire comme du gaz naturel ou du pétrole.
La technologie d'adsorption cyclique à pression modulée et, si nécessaire, vide modulé, encore appelée PSA (pour Pressure Swing Adsorption), VSA (pour Vacuum Swing Adsorption), ou VPSA (pour Vacuum and Pressure Swing Adsorption), respectivement, est utilisée pour séparer le CO2 de certains gaz, principalement en sidérurgie, comme le rappelle le document US-A6126717.
Dans la suite de la description, les termes procédé PSA seront utilisés pour désigner indifféremment un procédé VPSA avec pression et vide modulés, un procédé PSA avec seulement variation de pression ou un procédé VSA avec seulement variation de vide.
Un exemple typique mais non limitatif de cycle de procédé PSA utilisant au moins deux adsorbeurs ou récipients d'adsorption, fonctionnant en parallèle et de manière cyclique comprend: a) une étape d'adsorption pendant laquelle un des adsorbeurs est alimenté avec le gaz à traiter riche en CO2 et un gaz décarbonaté débarrassé d'au moins une partie du CO2 est produit puisque le CO2 s'adsorbe préférentiellement sur le ou les adsorbants de chaque adsorbeur; b) un étape d'équilibrage bas' pendant laquelle un premier adsorbeur est mis en communication avec un deuxième adsorbeur qui se trouve à une pression inférieure de manière à diminuer la pression du premier adsorbeur et à augmenter la pression du deuxième adsorbeur, ce qui produit un équilibrage de pression au sein de ceux-ci; c) une étape de dépressurisation pendant laquelle le gaz adsorbé (i.e. notamment les molécules de CO2 adsorbées) est désorbé, soit à co-courant, soit à contre-courant, de manière à récupérer un gaz enrichi en CO2. En fonction de la pression dans l'adsorbeur et de la pression de déchargement du gaz, cette étape peut se faire par simple dépressurisatrion à travers une vanne ou par purge à l'aide d'une pompe à vide. Il est également possible, au cours de cette étape ou d'une partie de cette étape, de faire circuler un gaz pauvre en CO2 de manière à abaisser encore davantage la pression partielle en CO2 et à améliorer ainsi la régénération de l'adsorbant. Cette opération, appelée élution, est décrite par exemple dans les documents US-A-6,562,103 et US-A-5,582, 029 notamment.
d) une étape d'équilibrage haut' pendant laquelle un premier adsorbeur est mis en communication avec un deuxième adsorbeur à pression plus élevée, de manière à augmenter la pression du premier adsorbeur et à diminuer la pression du deuxième adsorbeur; e) une étape de repressurisation pendant laquelle un adsorbeur est repressurisé soit avec du gaz décarbonaté, donc pauvre en CO2, soit avec le gaz d'alimentation riche en CO2.
Les étapes a) à e) sont cycliques. Au cours de chacune de ces étapes, différents flux gazeux sont produits par l'unité PSA, dont les compositions varient au cours de l'étape, cette variation étant cyclique de part la nature du procédé.
En particulier, la composition du flux enrichi en CO2 produit pendant l'étape c) de dépressurisation varie tout au long de cette étape. En effet, les molécules les moins adsorbables sont désorbées en début de purge, puis les molécules les plus adsorbables, typiquement le CO2, désorbent progressivement à mesure que la pression dans l'adsorbeur diminue.
Pour illustrer ce phénomène, on a représenté sur la Figure 1 l'évolution de la composition du gaz de dépressurisation d'un procédé PSA traitant un gaz réducteur (gaz sec) de sidérurgie riche en CO2 et contenant, en outre, d'autres constituants, tel que CO, N2, H2, et CH4.
Comme on le voit, en début de dépressurisation, la teneur en CO2 du gaz produit est inférieure à ceux en les autres constituants qui se désorbent les premiers, alors qu'en milieu de cycle la proportion de CO2 désorbé devient majoritaire et celles en les autres constituants deviennent très faibles, voire nulles, 2889971 3 étant donnés que ceux-ci ont été totalement désorbés. Ces gaz de désorption sont souvent collectés dans une enceinte de collecte, en sortie de laquelle la composition est homogénéisée et stable. N'ayant alors accès qu'à un gaz de composition moyenne' plus ou moins constante, la valorisation de ce gaz est limitée.
Un problème récurrent qui se pose est alors de pouvoir valoriser ces gaz de dépressurisation en fonction de l'évolution de leur composition au cours de l'étape de dépressurisation.
Certaines solutions ont déjà été proposées pour valoriser les gaz intermédiaires d'un procédé PSA en fonction de leur composition mais celles-ci ne sont pas suffisantes et/ou présentent des inconvénients.
Ainsi, une première méthode de valorisation connue des gaz intermédiaires produits par un PSA repose sur la réalisation d'un équilibrage, total ou partiel, entre deux adsorbeurs. Cette étape permet d'améliorer le rendement de procédés de production de gaz fortement valorisables, tel qu'un procédé PSA H2 ou d'un procédé VSA 02 par exemple. A la fin d'une étape d'adsorption, le gaz contenu dans l'adsorbeur sous pression n'est pas assez pur pour être produit et envoyé vers le client mais contient encore beaucoup de gaz valorisable, à savoir H2 pour le PSA H2 ou 02 pour le VSA 02). Ce gaz de pureté intermédiaire est donc renvoyé vers un autre adsorbeur qui se trouve à plus basse pression. De cette manière, les molécules valorisables, par exemple H2 ou 02, encore contenues dans ce gaz de pureté intermédiaire peuvent être récupérées à l'étape d'adsorption suivante. Pour les PSA H2, il est commun de mettre en oeuvre plusieurs étapes d'équilibrage à différentes pressions afin d'augmenter le rendement en H2.
Toutefois, cette solution n'est pas idéale car la mise en oeuvre d'une étape d'équilibrage supplémentaire nécessite deux adsorbeurs supplémentaires au sein de l'unité, ce qui en complexifie l'architecture, augmente le nombre de vannes et d'instruments associés et donc inévitablement les coûts du procédé. De plus, l'unité perd en compacité et surtout en fiabilité, et le recyclage interne par équilibrages est forcément limité par la pression d'équilibrage total..
On connaît, par ailleurs, un autre exemple de valorisation de gaz intermédiaire de procédé PSA qui ne concerne que les procédés PSA H2. Dans ça cas, dans une unité SMR produisant de l'hydrogène, la totalité du gaz de queue du PSA H2, qui contient encore des quantités non négligeables de CO, de CH4 et de H2, est utilisée comme combustible dans le four de SMR.
Toutefois, si la combustion totale du gaz de queue du PSA H2 permet de valoriser le pouvoir calorifique de ce gaz, elle ne permet pas de valoriser le pouvoir réducteur de H2 et CO dans des réactions de réduction chimiques par exemple. Cette solution n'est donc pas non plus idéale.
Un autre exemple encore de valorisation de gaz intermédiaire est spécifiquement réalisé dans les unités PSA CO2. En effet, dans une unité PSA CO2, le produit enrichi en CO2 est récupéré en gaz de queue'. II peut alors être avantageux, à un moment du cycle, de rincer I'adsorbeur avec une partie de ce gaz de queue' de manière à enrichir en CO2 les zones inter-granulaires et améliorer ainsi la pureté du CO2 produit. Cette étape de rinçage est décrite par exemple par les documents US -A-4,578, 089; US-A-6,245,127; Kim Y et al., Simulation of PSA process for CO2 recovery from flue gas, Hwahag Gonhag, 1998; Na et al., CO2 recovery from flue gas by PSA process using activated carbon, Korean Journal of Chemical Engineering, 2001; Chue et al., Comparison of activated carbon and zeolite 13X for CO2 recovery from flue gas by pressure swing adsorption, Industrial & Engineering Chemistry Research, 1995; ou Takamura et al., Evaluation of dual-bed pressure swing adsorption for CO2 recovery from boiler exhaust gas, Separation and purification technology, 2001.
Cependant, si dans les PSA CO2 connus, on envisage des recycles internes, tels les rinçages susmentionnés, on n'envisage pas de post-traitement du gaz enrichi en CO2 et, par conséquent, la pureté est entièrement obtenue via le procédé PSA, ce qui nécessite des flux de rinçage très importants pour atteindre des puretés acceptables.
Or, on comprend aisément que ceci représente une réelle contrainte au plan industriel.
L'invention se propose de pallier les inconvénients et les limitations des procédés connus pour remédier au problème susmentionné en utilisant le gaz de queue du procédé PSA CO2 de manière optimale au cours de l'étape de dépressurisation, c'est-à-dire en prenant en compte l'évolution des concentrations de tout ou partie des constituants dudit gaz, en particulier de celles en CO2, CO, H2 et CH4 par exemple, au sein de chaque adsorbeur pendant ladite étape de dépressurisation.
La solution de la présente invention est alors un procédé PSA de séparation d'un gaz d'alimentation contenant du 002 mettant en oeuvre au moins plusieurs récipients d'adsorption fonctionnant en parallèle et de manière cyclique, chaque récipient d'adsorption contenant au moins un adsorbant, comprend: - une étape d'adsorption pendant laquelle on alimente au moins l'un des récipients d'adsorption avec le gaz d'alimentation à traiter contenant du 002 de manière à adsorber au moins une partie du 002 contenu dans ledit gaz sur ledit adsorbant et à produire un gaz décarbonaté débarrassé d'au moins une partie dudit 002, et - une étape de dépressurisation, de durée totale (Tdep) donnée, pendant laquelle le gaz adsorbé sur l'adsorbant est désorbé par diminution de sa pression partielle, caractérisé en ce que, pendant l'étape de dépressurisation, on récupère successivement au moins: - un premier gaz de dépressurisation, pendant une première durée Ti de récupération avec Ti < Tdep, et - un deuxième gaz de dépressurisation, subséquemment au premier gaz de dépressurisation et pendant une deuxième durée T2 de récupération avec T2 < Tdep et Ti + T2 5 Tdep.
Dans le cadre de l'invention et dans la description qui suit, l'étape de dépressurisation, est définie comme toute étape pendant laquelle le gaz adsorbé est désorbé par diminution de la pression partielle de ce gaz. Elle peut être effectuée par diminution de la pression totale via une vanne ou via une pompe à vide si les pressions requises le requièrent. Par ailleurs, elle peut également être effectuée par circulation d'un gaz appauvri en la ou les molécules que l'on souhaite désorber, au cours d'une étape d'élution. Le gaz produit pendant cette étape de dépressurisation est appelé gaz de dépressurisation ou gaz de queue D. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le premier gaz de dépressurisation est récupéré en début d'étape de dépressurisation.
- on commence à récupérer le deuxième gaz de dépressurisation lorsqu'une durée Ti donnée s'est écoulée, de préférence à proximité du milieu ou à la fin de l'étape de dépressurisation.
- le premier gaz de dépressurisation est récupéré et au moins une partie dudit premier gaz est envoyée dans un stockage tampon.
- l'étape de dépressurisation est opérée à co-courant ou à contre-courant et par simple dépressurisation au moyen d'une vanne ou par purge à l'aide d'une pompe à vide.
- il comporte une étape d'équilibrage bas' pendant laquelle un premier récipient d'adsorption est mis en communication avec un deuxième récipient d'adsorption dans lequel règne une pression inférieure à la pression règne dans le premier récipient d'adsorption de manière à diminuer la pression du premier récipient d'adsorption et à augmenter la pression du deuxième récipient d'adsorption et à réaliser ainsi un équilibrage de pression au sein desdits récipients d'adsorption, de préférence l'étape d'équilibrage bas' est opérée entre l'étape d'adsorption et l'étape de dépressurisation.
- il comporte une étape d'équilibrage haut' pendant laquelle un premier récipient d'adsorption est mis en communication avec un deuxième récipient d'adsorption dans lequel règne une pression plus élevée que la pression régnant dans le premier récipient d'adsorption de manière à augmenter la pression du premier récipient d'adsorption et à diminuer la pression du deuxième récipient d'adsorption et à réaliser ainsi un équilibrage de pression au sein desdits récipients d'adsorption, de préférence l'étape d'équilibrage haut est opérée juste après l'étape de dépressurisation.
- il comporte une étape de repressurisation pendant laquelle au moins un récipient d'adsorption est repressurisé avec un gaz décarbonaté ou avec du gaz d'alimentation contenant du 002.
- il comporte une étape d'élution pendant laquelle au moins un récipient d'adsorption est balayé, au cours de l'étape de dépressurisation, par un gaz pauvre en 002 de manière à faire baisser la pression partielle du 002 dans ce récipient.
- le premier gaz de dépressurisation et le deuxième gaz de dépressurisation ont des teneurs moyennes en 002 différentes, de préférence le premier gaz de dépressurisation a une teneur moyenne en CO2 inférieure à la teneur moyenne en CO2 du deuxième gaz de dépressurisation.
- les gaz de dépressurisation récupérés sont utilisés au moins dans deux applications successives ou simultanées différentes choisies parmi: -un recyclage au moins partiel du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation vers au moins une des étapes du procédé PSA, - une combustion, catalytique ou non, d'au moins une partie du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, de préférence avec récupération de la chaleur produite par ladite combustion, - une alimentation d'une unité de purification et/ou liquéfaction de CO2 avec du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, de préférence une unité cryogénique, par exemple une unité de distillation cryogénique, et - une production d'un gaz d'export à partir du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, lequel gaz d'export alimente une canalisation de gaz ou un réseau de canalisations de gaz agencé sur le site où est opéré le procédé PSA.
- le gaz d'alimentation à traiter est un gaz réducteur contenant, en outre, CO et/ou H2, et/ou CH4, typiquement un gaz de sidérurgie, notamment de type gaz de haut-fourneau ou gaz issu d'un procédé COREX, MIDREX ou HYL.
- la durée totale (Tdep) de l'étape de dépressurisation est comprise entre 10 sec et 180 sec, de préférence 15 sec et 120 sec.
- la première durée (Ti) de récupération du premier gaz de dépressurisation est comprise entre 5 sec et 120 sec, de préférence 10 sec et 100 sec.
- la deuxième durée (T2) de récupération du deuxième gaz de dépressurisation est comprise entre 5 sec et 60 sec, de préférence entre 10 sec et 30 sec.
- un gaz de dépressurisation récupérés est utilisé pour produire ou constituer un gaz d'export alimentant une canalisation ou un réseau de canalisations de gaz véhiculant le gaz d'export vers au moins une turbine à gaz ou un four de combustion.
- le premier gaz de dépressurisation récupéré en début d'étape de dépressurisation a une teneur moyenne en CO2 inférieure à la teneur moyenne en CO2 du deuxième gaz de dépressurisation récupéré après le premier gaz de dépressurisation.
- il comporte les étapes supplémentaires dans lesquelles: i) on réalise une combustion d'une partie du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, de préférence du premier gaz de dépressurisation, de manière à produire un gaz de combustion ayant une teneur en CO2 supérieure à celle dudit premier ou deuxième gaz de dépressurisation, ii) on récupère au moins une partie du gaz de combustion produit à l'étape i) et éventuellement la chaleur produite par ladite combustion, et iii) on alimente une unité de purification et/ou liquéfaction de CO2 avec le gaz de combustion récupéré à l'étape ii), de préférence une unité cryogénique.
- il comporte l'étape supplémentaire de iv) alimenter, en outre, ladite unité de purification et/ou liquéfaction de CO2 avec une partie du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation n'ayant pas subi l'étape i) .
- le premier gaz de dépressurisation est récupéré à une première pression comprise entre 300 mbar et 3 bar, de préférence entre 600 mbar et 2 bar.
- le deuxième gaz de dépressurisation est récupéré à une second pression comprise entre 50 mbar et 1 bar, de préférence entre 100 et 800 mbar.
- l'unité de liquéfaction du CO2 comprend au moins deux circuits de liquéfaction différents, c'est-à-dire fonctionnant à des pressions et des températures de liquéfaction différentes, lui permettant de traiter au moins deux flux ayant des teneurs en CO2 différentes.
En d'autres termes, selon l'invention, le gaz de queue ou gaz de dépressurisation est utilisé au moins dans deux applications successives parmi: - recyclages partiels vers le procédé PSA permettant d'augmenter les performances de séparation du procédé de capture de CO2; -une combustion catalytique ou non d'une partie de ce gaz et utilisation éventuelle de la chaleur produite pour des besoins existant à d'autres endroits du procédé de capture du CO2 ou dans un autre procédé du site, ce qui permet d'améliorer l'intégration énergétique du procédé ; - une alimentation d'une unité de purification de CO2, comme une unité cryogénique par exemple, dont le fonctionnement peut être optimisé pour une teneur donnée en CO2, cette teneur en CO2 étant contrôlable connaissant l'évolution des concentrations au cours de l'étape; et/ou une production d'un gaz d'export pouvant être délivré à un réseau de gaz du site, pour quelque autre application.
Grâce à la solution de la présente invention, il est donc désormais possible d'envisager plusieurs applications successives ou simultanées du gaz de dépressurisation produit pendant l'étape de dépressurisation d'un cycle de procédé PSA, notamment VPSA, malgré l'évolution de sa composition, ce qui permet de valoriser ce gaz de dépressurisation.
Les avantages de l'invention par rapport à une solution basée sur des équilibrages sont une diminution du nombre de bouteilles et un plus grand degré de liberté pour ajuster le rendement souhaité, et ceux par rapport à seulement une combustion du gaz de queue connue sont une valorisation des gaz réducteurs par amélioration du rendement du PSA/VPSA et une valorisation du 002 par purification dans une unité cryogénique.
Par ailleurs, les avantages de l'invention par rapport à un procédé basé sur des étapes de rinçage est une diminution des flux de recyclage grâce à la purification finale du 002 effectuée par une unité cryogénique et une plus grande souplesse d'optimisation du PSA/VPSA pouvant fonctionner à des puretés modérées grâce à la valorisation de ces puretés modérées.
En outre, dans le cas où le procédé PSA/VPSA de l'invention est mis en oeuvre dans un procédé à recycle type NFBF (pour Nitrogen Free Blast Furnace) dans lequel les gaz inertes, typiquement N2 et Ar, doivent être purgés, la purge peut être effectuée par le gaz de queue qui sort au début de la dépressurisation, et non plus par un simple soutirage sur la boucle de recycle principale. Ceci permet d'améliorer le rendement global de la boucle de recyclage incluant le procédé VPSA de l'invention.
Comme susmentionné, le gaz de dépressurisation (premier et deuxième gaz de dépresurisation) produit par le procédé VPSA 002 selon l'invention est utilisé subséquemment à sa récupération dans au moins deux applications différentes et ce, de façons successives ou simultanées.
L'invention va être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante faite en références aux Figures 2 à 7 annexées sur lesquelles on a représenté l'évolution typique de la pression (P) du gaz de dépressurisation dans un des adsorbeurs du procédé PSA en fonction du temps (T).
Ainsi, la Figure 2 schématise une première possibilité de valorisation du gaz de dépressurisation selon laquelle une partie du gaz de dépressurisation récupéré est recyclé vers au moins une des étapes du procédé PSA, en particulier renvoyé en entrée du procédé PSA CO2. Plus précisément, dans ce cas, on recycle le gaz récupéré, de préférence, en début d'étape de dépressurisation (encore appelé premier gaz de dépressurisation) pendant une durée Ti donnée inférieure à la durée totale Tdep de l'étape de dépressurisation. Ce premier gaz est désorbé de l'adsorbant pendant la durée Ti et est envoyé dans un stockage tampon ST pouvant être, par exemple, un gazomètre ou une capacité équipée de l'instrumentation adéquate, puis subséquemment renvoyé vers l'unité PSA. La teneur en CO2 du gaz contenu dans ce stockage tampon ST dépend des pressions P1 et P2 au sein de l'adsorbeur (avec P1 > P2) entre lesquelles le flux de premier gaz est prélevé. La teneur en CO2 dans le stockage tampon est contrôlée par le rapport P1/P2. Plus ce rapport est élevé, plus la teneur en CO2 est élevée.
Inversement, plus ce rapport est bas, plus la teneur en CO2 est basse. Le gaz contenu dans le stockage tampon ST est ensuite recyclé vers l'entrée du VPSA. De cette manière, le rendement des autres gaz est amélioré en étant contrôlé par les pressions P1 et P2, ce qui est particulièrement intéressant si le procédé PSA CO2 est utilisé pour séparer le CO2 d'un gaz réducteur, typiquement un gaz de sidérurgie de type gaz de haut- fourneau, ou issu d'un procédé COREX, MIDREX ou HYL.
Selon une deuxième possibilité, on opère une combustion d'une partie du gaz de queue ou gaz de dépressurisation. Dans le cas où le VPSA fonctionne sur un gaz réducteur, typiquement un gaz de sidérurgie contenant CO et H2, une partie du gaz de dépressurisation du VPSA CO2, de préférence le gaz récupéré en début d'étape de dépressurisation (i.e. le premier gaz récupéré pendant la durée Ti), est envoyée vers un brûleur, catalytique ou non, fonctionnant préférentiellement à l'air enrichi en 02, et préférentiellement complètement à 1'02. Il est possible d'injecter un autre gaz combustible, tel que du gaz naturel, du méthane ou du propane par exemple. La combustion du CO permet alors d'augmenter la teneur en CO2 et de faciliter ainsi les purifications ultérieures du CO2. La chaleur récupérée lors de cette combustion peut être utilisée pour l'unité de séparation du CO2 elle -même ou exportée pour une autre utilisation sur le site industriel. Par exemple, la chaleur peut être utilisée sur une turbine chaude de détente. Une alternative consiste à injecter le gaz combustible (comme le gaz naturel par exemple), non pas dans le brûleur, mais dans le procédé VPSA au cours d'une des étapes du cycle. Par exemple, le gaz combustible peut être injecté dans les adsorbeurs au cours de l'étape de dépressurisation, de manière à abaisser encore plus la pression partielle du CO2 et à améliorer ainsi la régénération des adsorbants. De cette manière, le gaz combustible se retrouve directement en mélange dans le gaz de queue et peut alors être brûlé pour être converti en CO2 entre autres, et fournir de la chaleur.
Selon une troisième possibilité, on produit un gaz d'export pour un réseau de canalisations de gaz à partir du gaz de queue récupéré. Dans le cas où le PSA fonctionne à partir d'un gaz réducteur d'alimentation, typiquement un gaz de sidérurgie contenant les composés CO et H2, une partie du gaz de dépressurisation du VPSA CO2, de préférence comme précédemment, le gaz récupéré en début d'étape de dépressurisation, est envoyé comme gaz d'export dans un réseau de canalisations de gaz du site, par exemple pour alimenter une turbine à gaz ou alimenter un four. On peut obtenir ainsi un gaz ayant par exemple typiquement un pouvoir calorifique supérieur de 1500 kJ/Nm3.
Selon une quatrième possibilité, on alimente en gaz une unité de purification de CO2. Dans ce cas, une partie du gaz de dépressurisation du VPSA CO2, de préférence le gaz récupéré en fin d'étape de dépressurisation (i.e. deuxième gaz de récupération), est envoyée vers une unité de purification du CO2, telle une unité cryogénique. En effet, dans ce cas, il est avantageux d'envoyer le gaz récupéré en fin d'étape de dépressurisation car celui-ci est plus riche en CO2 que le gaz récupéré en début de cette étape, ce qui permet d'obtenir un rendement de production de CO2 purifié plus élevé en sortie d'unité cryogénique.
Une telle unité cryogénique comprend classiquement des moyens de compression de gaz, au moins un groupe frigorigène et des échangeurs de chaleur. La pression à atteindre dépend de la teneur en CO2 de l'alimentation, elle est d'autant plus élevée que la teneur en CO2 de l'alimentation est basse. Selon l'invention, une même unité cryogénique comprend un ou plusieurs schémas SC1, SC2 de compression/liquéfaction. Comme illustré sur la Figure 3, chaque schéma SC1, SC2 est caractérisé par une pression et une température de condensation différentes. Un schéma basse pression est optimisé pour liquéfier le CO2 à partir 2889971 12 d'une alimentation riche en 002, alors qu'un schéma plus haute pression sera optimisé pour liquéfier le 002 à partir d'une alimentation moins riche en 002. Les moyens de compression, les groupes frigorigènes et les échangeurs de ces schémas sont intégrés au sein de la même unité cryogénique. Les différentes teneurs en 002 de l'alimentation sont obtenues en soutirant le gaz de dépressurisation entre différentes pressions. Plus la pression est basse, plus la teneur en 002 est élevée.
D'autres exemples illustratifs de l'invention sont schématisés sur les Figures 4 à 7, et montrent plusieurs combinaisons possibles d'une utilisation du gaz de dépressurisation d'un procédé VPSA 002 dans au moins deux applications différentes, de manière consécutive ou successive.
Plus précisément, la Figure 4 montre un première combinaison selon laquelle, pendant l'étape de dépressurisation de durée totale Tdep, on récupère d'abord, au début de la l'étape de dépressurisation, un premier gaz G1 de dépressurisation qui est recyclé vers l'entrée du procédé PSA comme expliqué ci-dessus, en étant éventuellement stocké dans une capacité de stockage adaptée, puis on soutire un deuxième gaz G2 de dépressurisation, subséquemment à la récupération du premier gaz G1 de dépressurisation, c'est-à-dire en fin d'étape de dépressurisation, lequel deuxième gaz G2 est envoyé vers une unité cryogénique UC en vue de condenser partiellement à température cryogénique ledit gaz G2 et récupérer ainsi du 002 purifié.
La Figure 5 est une variante de la Figure 4 selon laquelle le premier gaz G1 est récupéré et utilisé de la même manière que sur la Figure 4, c'està-dire via un recyclage vers l'entrée du PSA, alors que la récupération du deuxième gaz G2 de dépressurisation se fait en deux sous-étapes, à savoirqu'une partie initiale G2a du deuxième gaz G2 de dépressurisation est d'abord récupérée puis envoyée vers un premier schéma SC1 d'une unité cryogénique, comme expliqué ci-avant, puis on procède à la récupération de la partie restante G2b du deuxième gaz G2 de dépressurisation et à son envoi vers un deuxième schéma SC2 d'une unité cryogénique. De préférence, un schéma basse pression SC2 est utilisé pour liquéfier le 002 à partir de l'alimentation avec la partie restante G2b du gaz G2 qui est riche en 002, alors qu'un schéma plus haute pression SC1 est mis en oeuvre pour liquéfier le 002 à partir de alimentation avec le gaz initial G2a qui est moins riche en CO2. Par schéma basse pression , on entend des pressions d'environ 6 à 30 bar et par schéma haute pression , on entend des pressions d'environ 30 à 60 bar.
La Figure 6 est une autre variante de la Figure 4 selon laquelle le deuxième gaz G2 de dépressurisation est récupéré et utilisé de la même manière que sur la Figure 4, alors qu'ici, le premier gaz G1 est récupéré puis scindé en deux flux gazeux, à savoir un premier flux gazeux G1a et un second flux gazeux Gib. Le premier flux G1a est utilisé de la même manière que sur la Figure 4, c'est-à-dire recyclé vers l'entrée du procédé PSA. Par contre, le second flux gazeux G1 b subit une combustion dans un four de combustion FC ou analogue. En effet, comme expliqué ci- dessus, dans le cas d'un gaz d'alimentation de type réducteur, tel un gaz de sidérurgie contenant des composés CO et H2, il peut être intéressant d'envoyer une partie du gaz récupéré en début de phase de dépressurisation vers un brûleur fonctionnant à l'air enrichi en 02 ou à 1'02 pur car cela permet de d'augmenter la teneur en CO2 du gaz résultant de la combustion du fait de la transformation du CO en CO2 et par conséquent de faciliter ainsi toute purification ultérieure du gaz de combustion enrichi en CO2 ainsi obtenu. De plus, la chaleur récupérée lors de la combustion peut être utilisée pour l'unité de séparation du CO2 elle-même ou exportée pour une autre utilisation sur le site industriel.
La Figure 7 est un autre mode de réalisation basé principalement sur une combinaison des variantes des Figures 5 et 6. En effet, le deuxième gaz G2 est récupéré et traité comme dans le cas de la Figure 5, alors que le premier gaz G1 est récupéré et traité comme dans le cas de la Figure 6, à l'exception du fait que: - le gaz de combustion issu du four de combustion FC est envoyé vers le deuxième schéma SC2 de l'unité cryogénique au sein de laquelle est aussi traité le flux G2b, - une portion G1c du second flux gazeux Gib est envoyé directement vers un réseau de canalisations RC de gaz comme expliqué ci-avant, par exemple pour alimenter une turbine à gaz.
Claims (19)
1. Procédé PSA de séparation d'un gaz d'alimentation contenant du 002 mettant en oeuvre au moins plusieurs récipients d'adsorption fonctionnant en parallèle et de manière cyclique, chaque récipient d'adsorption contenant au moins un adsorbant, comprend: - une étape d'adsorption pendant laquelle on alimente au moins l'un des récipients d'adsorption avec le gaz d'alimentation à traiter contenant du 002 de manière à adsorber au moins une partie du 002 contenu dans ledit gaz sur ledit adsorbant et à produire un gaz décarbonaté débarrassé d'au moins une partie dudit 002, et - une étape de dépressurisation, de durée totale (Tdep) donnée, pendant laquelle le gaz adsorbé sur l'adsorbant est désorbé par diminution de sa pression partielle, caractérisé en ce que, pendant l'étape de dépressurisation, on récupère successivement au moins: - un premier gaz (G1, G1 a, G1 b) de dépressurisation, pendant une première durée Ti de récupération avec Ti < Tdep, et - un deuxième gaz (G2, G2a, G2b) de dépressurisation, subséquemment au premier gaz de dépressurisation et pendant une deuxième durée T2 de récupération avec T2 < Tdep et Ti + T2 5 Tdep.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier gaz de dépressurisation (G1, G1 a, G1 b) est récupéré en début d'étape de dépressurisation.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on commence à récupérer le deuxième gaz (G2, G2a, G2b) de dépressurisation lorsqu'une durée Ti donnée s'est écoulée, de préférence à proximité du milieu ou à la fin de l'étape de dépressurisation.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier gaz de dépressurisation est récupéré et au moins une partie dudit premier gaz est envoyée dans un stockage tampon (ST).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de dépressurisation est opérée à co-courant ou à contre-courant et par simple dépressurisation au moyen d'une vanne ou par purge à l'aide d'une pompe à vide.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'équilibrage bas' pendant laquelle un premier récipient d'adsorption est mis en communication avec un deuxième récipient d'adsorption dans lequel règne une pression inférieure à la pression règne dans le premier récipient d'adsorption de manière à diminuer la pression du premier récipient d'adsorption et à augmenter la pression du deuxième récipient d'adsorption et à réaliser ainsi un équilibrage de pression au sein desdits récipients d'adsorption, de préférence l'étape d'équilibrage bas' est opérée entre l'étape d'adsorption et l'étape de dépressurisation.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'équilibrage haut' pendant laquelle un premier récipient d'adsorption est mis en communication avec un deuxième récipient d'adsorption dans lequel règne une pression plus élevée que la pression régnant dans le premier récipient d'adsorption de manière à augmenter la pression du premier récipient d'adsorption et à diminuer la pression du deuxième récipient d'adsorption et à réaliser ainsi un équilibrage de pression au sein desdits récipients d'adsorption, de préférence l'étape d'équilibrage haut est opérée juste après l'étape de dépressurisation.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de repressurisation pendant laquelle au moins un récipient d'adsorption est repressurisé avec un gaz décarbonaté ou avec du gaz d'alimentation contenant du CO2.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'élution pendant laquelle au moins un récipient d'adsorption est balayé, au cours de l'étape de dépressurisation, par un gaz pauvre en CO2 de manière à faire baisser la pression partielle du CO2 dans ce récipient.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier gaz de dépressurisation et le deuxième gaz de dépressurisation ont des teneurs moyennes en CO2 différentes, de préférence le premier gaz de dépressurisation a une teneur moyenne en CO2 inférieure à la teneur moyenne en CO2 du deuxième gaz de dépressurisation.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les gaz de dépressurisation récupérés (G1, G1 a, Gib, G2, G2a, G2b) sont utilisés au moins dans deux applications successives ou simultanées différentes choisies parmi: - un recyclage au moins partiel du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation (G1, G2) vers au moins une des étapes du procédé PSA, - une combustion (FC), catalytique ou non, d'au moins une partie du premier ou du deuxième gaz (G1, G2) de dépressurisation, de préférence avec récupération de la chaleur produite par ladite combustion, - une alimentation d'une unité de purification et/ou liquéfaction de CO2 avec du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, de préférence une unité cryogénique (UC), et - une production d'un gaz d'export à partir du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, lequel gaz d'export alimente une canalisation de gaz ou un réseau de canalisations (RC) de gaz agencé sur le site où est opéré le procédé PSA.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation à traiter est un gaz réducteur contenant, en outre, CO et/ou H2, et/ou CH4, typiquement un gaz de sidérurgie, notamment de type gaz de haut-fourneau ou gaz issu d'un procédé COREX, MIDREX ou HYL.
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que: - la durée totale (Tdep) de l'étape de dépressurisation est comprise entre 10 sec et 180 sec, de préférence 15 sec et 120 sec, - la première durée (Ti) de récupération du premier gaz de dépressurisation est comprise entre 5 sec et 120 sec, de préférence 10 sec et 100 sec, et/ou - la deuxième durée (T2) de récupération du deuxième gaz de dépressurisation est comprise entre 5 sec et 60 sec, de préférence entre 10 sec et 30 sec.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'un gaz de dépressurisation récupérés est utilisé pour produire ou constituer un gaz d'export alimentant une canalisation ou un réseau de canalisations de gaz véhiculant le gaz d'export vers au moins une turbine à gaz ou un four de combustion.
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le premier gaz de dépressurisation récupéré en début d'étape de dépressurisation a une teneur moyenne en CO2 inférieure à la teneur moyenne en CO2 du deuxième gaz de dépressurisation récupéré après le premier gaz de dépressurisation.
16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que: i) on réalise une combustion d'une partie du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation, de préférence du premier gaz de dépressurisation, de manière à produire un gaz de combustion ayant une teneur en CO2 supérieure à celle dudit premier ou deuxième gaz de dépressurisation, ii) on récupère au moins une partie du gaz de combustion produit à l'étape i) et éventuellement la chaleur produite par ladite combustion, et 10 iii) on alimente une unité de purification et/ou liquéfaction de CO2 avec le gaz de combustion récupéré à l'étape ii), de préférence une unité cryogénique.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de: iv) alimenter, en outre, ladite unité de purification et/ou liquéfaction de CO2 avec une partie du premier ou du deuxième gaz de dépressurisation n'ayant pas subi l'étape i).
18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'unité de liquéfaction du CO2 comprend au moins deux circuits de liquéfaction différents pour traiter au moins deux flux de gaz ayant des teneurs en CO2 différentes.
19. Procédé selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que: - le premier gaz de dépressurisation est récupéré à une première pression comprise entre 300 mbar et 3 bar, de préférence entre 600 mbar et 2 bar et/ou - le deuxième gaz de dépressurisation est récupéré à une second 20 pression comprise entre 50 mbar et 1 bar, de préférence entre 100 et 800 mbar.
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