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EP2379199A1 - Procédé de capture de c02 par cryo-condensation solide dans une turbine - Google Patents

Procédé de capture de c02 par cryo-condensation solide dans une turbine

Info

Publication number
EP2379199A1
EP2379199A1 EP09803854A EP09803854A EP2379199A1 EP 2379199 A1 EP2379199 A1 EP 2379199A1 EP 09803854 A EP09803854 A EP 09803854A EP 09803854 A EP09803854 A EP 09803854A EP 2379199 A1 EP2379199 A1 EP 2379199A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
solid
gas
treated
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09803854A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédérick LOCKWOOD
Alain Ravex
Jean-Pierre Tranier
Claire Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP2379199A1 publication Critical patent/EP2379199A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/002—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by condensation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0204—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the feed stream
    • F25J3/0219—Refinery gas, cracking gas, coke oven gas, gaseous mixtures containing aliphatic unsaturated CnHm or gaseous mixtures of undefined nature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
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    • F25J3/0223—H2/CO mixtures, i.e. synthesis gas; Water gas or shifted synthesis gas
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25J3/0252—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of hydrogen
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    • F25J3/0266—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of carbon dioxide
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    • F25J3/0295—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used, e.g. sieve plates, packings
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    • F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
    • F25J3/04527—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general
    • F25J3/04533—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general for the direct combustion of fuels in a power plant, so-called "oxyfuel combustion"
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    • F25J3/04557—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general for the metal production for pig iron or steel making, e.g. blast furnace, Corex
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    • F25J3/04563—Integration with a nitrogen consuming unit, e.g. for purging, inerting, cooling or heating
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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
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    • F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
    • F25J3/04612—Heat exchange integration with process streams, e.g. from the air gas consuming unit
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    • F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
    • F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
    • F25J3/04812—Different modes, i.e. "runs" of operation
    • F25J3/04836—Variable air feed, i.e. "load" or product demand during specified periods, e.g. during periods with high respectively low power costs
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    • F25J3/0625—H2/CO mixtures, i.e. synthesis gas; Water gas or shifted synthesis gas
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    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23J2900/15061—Deep cooling or freezing of flue gas rich of CO2 to deliver CO2-free emissions, or to deliver liquid CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
    • F25J2205/02—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum
    • F25J2205/04—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using simple phase separation in a vessel or drum in the feed line, i.e. upstream of the fractionation step
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
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    • F25J2220/80—Separating impurities from carbon dioxide, e.g. H2O or water-soluble contaminants
    • F25J2220/82—Separating low boiling, i.e. more volatile components, e.g. He, H2, CO, Air gases, CH4
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    • F25J2220/80—Separating impurities from carbon dioxide, e.g. H2O or water-soluble contaminants
    • F25J2220/84—Separating high boiling, i.e. less volatile components, e.g. NOx, SOx, H2S
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/08—Cold compressor, i.e. suction of the gas at cryogenic temperature and generally without afterstage-cooler
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
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    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/32—Compression of the product stream
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    • F25J2235/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams
    • F25J2235/80—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/02—Expansion of a process fluid in a work-extracting turbine (i.e. isentropic expansion), e.g. of the feed stream
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    • F25J2245/00—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams
    • F25J2245/42—Processes or apparatus involving steps for recycling of process streams the recycled stream being nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
    • F25J2260/42—Integration in an installation using nitrogen, e.g. as utility gas, for inerting or purging purposes in IGCC, POX, GTL, PSA, float glass forming, incineration processes, for heat recovery or for enhanced oil recovery
    • F25J2260/44—Integration in an installation using nitrogen, e.g. as utility gas, for inerting or purging purposes in IGCC, POX, GTL, PSA, float glass forming, incineration processes, for heat recovery or for enhanced oil recovery using nitrogen for cooling purposes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/04—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/04—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F25J2270/06—Internal refrigeration with work-producing gas expansion loop with multiple gas expansion loops
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/14—External refrigeration with work-producing gas expansion loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/58—Quasi-closed internal or closed external argon refrigeration cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/80—Quasi-closed internal or closed external carbon dioxide refrigeration cycle
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/88—Quasi-closed internal refrigeration or heat pump cycle, if not otherwise provided
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    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/42—Modularity, pre-fabrication of modules, assembling and erection, horizontal layout, i.e. plot plan, and vertical arrangement of parts of the cryogenic unit, e.g. of the cold box
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a process for capturing carbon dioxide in a fluid comprising at least one more volatile compound than CO2 carbon dioxide, for example methane CH4, oxygen O2, argon Ar, nitrogen N2, carbon monoxide CO, helium He and / or hydrogen H2.
  • the invention can be applied in particular to electricity production units and / or steam from carbonaceous fuels such as coal, hydrocarbons (natural gas, fuel, petroleum residues ...), household waste, biomass but also to gases from refineries, chemical factories, steel factories or cement factories, to the processing of natural gas at the output of production wells. It could also apply to the fumes of boilers used for heating buildings or even the exhaust of transport vehicles, more generally to any industrial process generating fumes including CO2.
  • Carbon dioxide is a greenhouse gas. For environmental and / or economic reasons, it is increasingly desirable to reduce or even eliminate CO 2 emissions into the atmosphere, by capturing it and then, for example, storing it in appropriate geological layers or enhancing it. as a product.
  • the document FR-A-2894838 discloses the same type of process, with a recycling of a portion of the liquid CO2 produced.
  • Cold can be provided by spraying LNG (natural gas liquefied). This synergy reduces the specific energy consumption of the process, which nevertheless remains high, and requires an LNG terminal.
  • US-A-3614872 discloses a separation process wherein the adiabatic and isentropic expansion of carbon dioxide provides a coolant.
  • An object of the present invention is to provide an improved method of capturing carbon dioxide from a fluid comprising CO2 and at least one more volatile compound than this.
  • the invention firstly relates to a process for producing at least one CO2-poor gas and one or more CO2-rich primary fluids from a fluid to be treated comprising CO2 and at least one more volatile compound than CO2, implementing: a) a first cooling of said fluid to be treated by heat exchange without change of state; b) a second cooling of at least a portion of said fluid to be treated cooled in step a) so as to obtain at least one solid comprising mainly CO2 and at least said CO2-poor gas; and c) a step comprising liquefying and / or sublimating at least a portion of said solid and making it possible to obtain said one or more primary fluids rich in CO2; said method being characterized in that step b) is carried out in at least one expansion turbine, said solid forming inside said turbine.
  • the fluid to be treated generally comes from a boiler or any installation producing smoke. These fumes may have undergone several pre-treatments, in particular to remove NOx (nitrogen oxides), dust, SOx (sulfur oxides) and / or water.
  • NOx nitrogen oxides
  • SOx sulfur oxides
  • the fluid to be treated is either monophasic, in gaseous or liquid form, or multiphase.
  • gaseous form is meant “essentially gaseous”, that is to say it may contain especially dust, solid particles such as soot and / or droplets of liquid.
  • the fluid to be treated contains CO2 which it is desired to separate by cryo-condensation from the other constituents of said fluid.
  • These other constituents comprise at least one or more compounds which are more volatile than carbon dioxide in the sense of condensation, for example methane CH4, oxygen O2, argon Ar, nitrogen N2, carbon monoxide CO, helium He and / or hydrogen H2.
  • the fluids to be treated generally comprise mainly nitrogen, or mainly CO or predominantly hydrogen.
  • the fluid to be treated generally comes from a boiler or any installation producing smoke. These fumes may have undergone several pre-treatments, in particular to remove NOx (nitrogen oxides), dust, SOx (sulfur oxides) and / or water.
  • the fluid to be treated is either monophasic, in gaseous or liquid form, or multiphase.
  • gaseous form is meant “essentially gaseous”, that is to say it may contain especially dust, solid particles such as soot and / or droplets of liquid.
  • the fluid to be treated contains CO2 which it is desired to separate by cryo-condensation from the other constituents of said fluid.
  • These other constituents comprise at least one or more compounds which are more volatile than carbon dioxide in the sense of condensation, for example methane CH4, oxygen O2, argon Ar, nitrogen N2, carbon monoxide CO, helium He and / or hydrogen H2.
  • the fluids to be treated generally comprise mainly nitrogen, or mainly CO or predominantly hydrogen.
  • step a) the fluid to be treated is first cooled without changing state.
  • This cooling can advantageously be done at least partly by heat exchange with fluids rich in CO2 from the separation process.
  • it can advantageously be done at least partly by heat exchange with the CO2-poor gas from the separation process.
  • Step b) consists in solidifying initially gaseous CO2 by bringing the fluid to be treated to a temperature below the triple point of CO2, whereas the partial pressure of the CO2 in the fluid to be treated is lower than that of the triple point of CO2. .
  • the total pressure of the fluid to be treated is close to atmospheric pressure. This solidification operation is sometimes called “cryo-condensation” or “anti-sublimation” of CO2 and by extension of the fluid to be treated.
  • CO2-poor gas that is to say comprising less than 50% of CO2 by volume and preferably less than 10% CO2 by volume.
  • said CO2-poor gas comprises more than 1% of CO2 by volume.
  • it comprises more than 2%.
  • it comprises more than 5%.
  • a solid is formed comprising predominantly CO2, ie at least 90% by volume brought back to the gaseous state, preferably at least 95% by volume and even more preferably at least 99% of CO2 by volume.
  • This solid may comprise other compounds than CO2. There may be mentioned, for example, other compounds which would also have solidified, or else bubbles and / or drops of fluid taken in mass in said solid. This explains why the solid may not be purely constituted of solid CO2. This "solid” may comprise non-solid parts such as fluid inclusions (drops, bubbles, etc.).
  • This solid is then isolated from the non-solidified compounds after the cryo-condensation and recovered. Then, in step c), it is brought back to conditions of temperature and pressure such that it changes to a fluid, liquid and / or gaseous state. It can therefore occur liquefaction of at least a portion of said solid. This gives rise to one or more primary fluids rich in CO2. These fluids are said to be “primary” to distinguish them from process fluids that are called “secondary” fluids. By “rich in CO2” is meant “comprising predominantly CO2" in the sense defined above.
  • the inventors have shown that it is particularly advantageous to carry out the first and / or the second cooling of the fluid to be treated by means of one or more refrigerating cycles each comprising at least one almost isentropic expansion of a gas.
  • These refrigerating cycles consist of several steps that pass a fluid called "working" by several physical states characterized by given conditions of composition, temperature, pressure ...
  • the entropy is taken zero at a temperature of zero K (kelvin).
  • the method according to the invention may comprise one or more of the following characteristics:
  • said solid is in the form of dry ice.
  • said expansion turbine comprises at least one rotor part and at least one stator part situated upstream of said rotor part and that step b) is carried out in said part rotor.
  • Said rotor portion is the area between the leading edge and the trailing edge of the rotor blades; it includes the volume displaced by the rotor during its rotation.
  • said fluid to be treated comprising CO2 and at least one more volatile compound than CO2 remains in the vapor state in said stator part.
  • said fluid to be treated is in the supersaturated vapor state in said stator part situated upstream of said rotor part.
  • expansion turbine is radial centripetal or radial centrifugal or axial or supersonic shock wave.
  • the process furthermore comprises, after step b), a step b1) in which said solid comprising predominantly CO2 and said CO2-poor gas obtained in step b) is separated into at least one fraction rich in CO2 and a fraction low in CO2, said step b1) being carried out in an area downstream of said rotor part.
  • "Downstream of said rotor part" means downstream of the trailing edge of the rotor blades.
  • step b) a rotational movement is imparted to said solid comprising mainly CO2 and to said CO2-poor gas and, in step b1), the separation of said solid comprising predominantly CO2 from said CO2-poor gas obtained at step b) comprises separation by a centrifugal effect induced by said rotational movement printed, in step b), said solid comprising predominantly CO2.
  • certain parts of said turbine are heated. These parts are, for example, those in contact with the fluid of the stator part upstream of the rotor, the rotor part and / or the stator part downstream of the rotor.
  • said turbine comprises polished and / or coated surfaces of a given material intended to limit the heterogeneous nucleation of said solid comprising predominantly CO2 on said surfaces and / or on said coating material.
  • said fluid to be treated comprises compounds that are less volatile than CO2 and that said process comprises, prior to step b), one or more purification steps of said fluid to be treated (40) of said less volatile compounds. If these compounds are not removed, they may form solid compounds at temperatures above the solid carbon dioxide condensation temperature and thus allow the initiation of CO2 nucleation earlier. - Said compounds less volatile than CO2 are among H2O, SO2, NxOy and solid compounds present in the gas to be treated at room temperature.
  • the fluid to be treated (in unit 103) is removed from solid compounds at levels below 1 mg / m3, preferably below 100 ⁇ g / m3.
  • said turbine comprises titanium.
  • the materials used in the mass of the turbine or as a coating are resistant to erosion by solid particles comprising predominantly CO2.
  • titanium may be used.
  • a purge gas is injected into said turbine, said purge gas coming into contact with said fluid to be treated.
  • This flushing gas may for example be air or nitrogen and prevents the presence of solid CO2 on the back of the rotor part; if solid accumulates in this area, it could erode the rotor part.
  • said turbine has a degree of reaction greater than 50%, that is to say that more than 50% of the enthalpy drop of the fluid (difference in enthalpy between the inlet and the outlet of the turbine) is done in the rotor part.
  • step b1) can implement two concentric cones intended to recover said fraction rich in CO2 and said fraction poor in CO2.
  • step b1) it is also possible to decelerate said solid comprising mainly CO2 and said CO2-poor gas obtained in step b), and then to separate them into said fraction rich in CO2 and said fraction. low in CO2 by gravity.
  • working fluids can be of different natures. According to different embodiments, these fluids may comprise nitrogen and / or argon. They may also include all or part of the CO2-poor gas obtained or the fluid to be treated. These fluids can be mixed with other fluids or have undergone intermediate stages of compression, relaxation, etc.
  • the working fluid of the refrigerating cycle comprises all or part of the fluid to be treated
  • the almost isentropic expansion (s) without providing external work can give rise to a cooling of the working fluid such that solid CO2 appears.
  • This may constitute all or part of the second cooling of the fluid to be treated.
  • these quasi-isentropic detents are performed through a Venturi (a Venturi effect collar).
  • the rotation of the fluid of which it question above can be obtained by any conventional means, for example by appropriately oriented fins. Speeding is done by the Venturi effect. The temperature of the working fluid drops. Solid particles of CO2 appear. The fluid has a rotational movement about an axis substantially parallel to the direction of flow, such as a spin. This creates a centrifugal effect making it possible to recover these solid particles at the periphery of the flow.
  • the work possibly produced by the quasi-isentropic expansion (s) serves in part to compress fluids in other steps of the process.
  • the invention also relates to the process applied to industrial fumes for the purpose of capturing CO2.
  • these fumes come from an energy production plant (steam, electricity) and may have undergone pre-treatments.
  • FIG. 1 diagrammatically represents an installation implementing a method for purifying CO2 according to the invention, with a refrigerating cycle implementing an auxiliary fluid as a working fluid,
  • FIG. 2 diagrammatically represents a part of an installation implementing a variant of this process, with a refrigeration cycle using the CO2-poor gas as working fluid and comprising an almost isentropic expansion with production of work
  • FIG. 3 diagrammatically represents a part of an installation implementing another variant of this process, with a refrigeration cycle using the CO2-poor gas as working fluid and comprising a quasi-isentropic expansion with production of work
  • FIG. 4 schematically represents a part of an installation implementing a variant of the process with a refrigerating cycle using the fluid to be treated as a working fluid and comprising a quasi isentropic expansion with production of work, during which there is no cryo-condensation of CO2,
  • FIG. 5 schematically represents a part of an installation implementing a variant of the process with a refrigerating cycle using the fluid to be treated as a working fluid and comprising a quasi-isentropic expansion with production of work, during which there is cryogenic CO2 condensation,
  • FIG. 6 schematically represents a part of an installation implementing a variant of the process with a refrigerating cycle using the fluid to be treated as a working fluid and comprising a virtually isentropic expansion without production of work, during which there is cryogenic CO2 condensation,
  • FIG. 7 schematically represents a part of an installation implementing a variant of the process, in which the second cooling also comprises a liquefaction, and furthermore comprising a refrigerating cycle using the fluid to be treated as working fluid and comprising detents. quasi isentropic without production during which there is cryo-condensation of CO2.
  • FIG. 8 shows schematically the use of a method according to the invention in a coal-based power generation plant with combustion in air.
  • FIG. 10 schematically represents the use of a method according to the invention in a steel plant.
  • FIG. 11 schematically represents the use of a method according to the invention in an installation for the production of synthesis gas operating with oxygen;
  • FIG. 12 schematically represents the use of a process according to the invention in an installation for producing carbon monoxide from a synthesis gas originating from a steam reforming of a synthesis gas.
  • FIG. 13 schematically represents the use of a process according to the invention with, on the one hand, a cycle of production of energy using the cold of the melting of solid CO2 and, on the other hand, additional purifications by distillation of the compounds less volatile than CO2, then more volatile compounds than CO2
  • FIG. 14 and 15 show a turbine for performing a virtually isentropic expansion of the fluid to be treated with production of external work according to the invention.
  • the installation illustrated in FIG. 1 implements the steps described below.
  • the fluid 24 consisting of fumes is compressed in a compressor 101, in particular to compensate for the pressure losses in the various equipment of the installation. Note that this compression can also be combined with the so-called draw compression of the boiler giving rise to smoke. It can also be carried out between other stages of the process, or downstream of the CO2 separation process;
  • the compressed fluid 30 is injected into a filter 103 to remove the particles to a concentration level of less than 1 mg / m 3 , preferably less than 100 ⁇ g / m 3 .
  • the dust-free fluid 32 is cooled to a temperature close to 0 ° C., generally between 0 ° C. and 10 ° C., so as to condense the water vapor that it contains.
  • This cooling is performed in a tower 105, with two-level water injection, cold water 36 and water at a temperature close to ambient 34. It is also possible to envisage indirect contact. Tower 105 may or may not have packings.
  • the fluid 38 is sent to a residual water vapor removal unit 107, using, for example, one and / or the other of the following methods:
  • the adsorbent may be activated alumina, silica gel or a molecular sieve (3A, 4A, 5A, 13X, ...); Condensation in a direct or indirect contact exchanger.
  • the dried fluid 40 is then introduced into the exchanger 109 where the fluid is cooled to a close temperature, but in any case, greater than the solidification temperature of the CO2. This can be determined by those skilled in the art knowing the pressure and the composition of the fluid 40 to be treated. The latter is located at about -100 0 C if the CO2 content of the fluid to be treated is of the order of 15% by volume and a near atmospheric pressure.
  • the fluid 42 having undergone a first cooling 109 is then introduced into a chamber 111 to continue cooling to the temperature which provides the desired CO2 capture rate.
  • a cryo-condensation of at least a portion of the CO2 contained in the fluid 42 occurs, so as to produce on the one hand a gas 44 depleted of CO2 and on the other hand a solid 62 comprising mainly CO2.
  • the gas 44 leaves the enclosure 111 at a temperature of the order of -12O 0 C. This temperature is chosen according to the target CO2 capture rate. With this temperature, the CO2 content in the gas 44 is of the order of 1.5% by volume, ie a capture rate of 90% starting from a fluid to be treated comprising 15% CO 2.
  • Solid batch cryo-condensation in this case, several exchangers in parallel can be used alternately. Then they are isolated, pressurized at a pressure higher than that of the triple point of CO2, so as to liquefy the solid CO2 and possibly partially vaporize it.
  • the fluid 46 is then reheated in the exchanger 109.
  • the fluid 48 may also be used in particular to regenerate the residual vapor removal unit 107 and / or to produce cold water 36 by evaporation in a tower direct contact 1 15 where a dry fluid 50 is introduced which will saturate with water by vaporizing a part.
  • the cold water may undergo additional cooling in a refrigeration unit 119.
  • the solid 62 comprising predominantly CO2 is transferred to a liquid CO2 bath 121.
  • This bath 121 must be heated to remain liquid, to compensate for the contribution of cold by the solid 62 (latent heat of fusion and sensible heat). This can be done in different ways: by heat exchange with a hotter fluid 72. The frigories of the fluid 74 can be used elsewhere in the process,
  • Liquid 64 comprising mainly CO2 is taken from the bath 121. This liquid is divided into three streams. In the example, the first is obtained by an expansion 65 to 5.5 bar absolute producing a two-phase fluid, gas-liquid, 66. The second, 68, is obtained by compression 67, for example at 10 bar. The third, 70, is compressed for example at 55 bar. The 5.5 bar level brings cold to a temperature close to that of the triple point of CO2. The level at 10 bar allows the transfer of the latent heat of vaporization of the fluid 68 at about -40 ° C. Finally, at 55 bar, the fluid 70 does not vaporize during the exchange 109.
  • a refrigerating cycle 200 implementing a working fluid 51 which is argon. It successively comprises: a compression 129, possibly two compressions 56 and 57, a cooling by indirect exchange 109, a quasi-isentropic expansion 131 which induces a cooling, a heating in the enclosure 111, a warming 109.
  • a part of the working fluid is removed, then undergoes a near isentropic expansion 130, then an indirect exchange 109 and finally a compression 128 to join the compression 129.
  • the almost isentropic detents 130 and 131 provide a work from which a part serves for the compressions 56 and 57.
  • This cycle 200 produces cold between about -100 and -12O 0 C for cryo-condensation
  • Another part of the cold required for the first cooling 109 is provided by an additional refrigerant cycle 181, 183, for example of the inverted Rankine type.
  • Another part of the cold necessary for the second cooling 111 is provided by an additional refrigerant cycle 191, 193 for example of the inverted Rankine type.
  • the CO2-rich primary fluids 66, 68, 70 are stagedly compressed 141, 142, 143.
  • the first stages compress gas streams.
  • the compressed CO2 75 is cooled by an indirect contact exchanger to be liquid. Then it is mixed with the stream 73. This liquid mixture is pumped to the transport pressure (fluid 5). Since the transport pressure is generally supercritical, supercritical fluids are considered to be supercritical fluids at a temperature lower than that of the critical point of CO2.
  • FIGS. 2 to 7 which represent examples in accordance with particular embodiments of the invention, the steps relating to the fluid to be treated before its first cooling 109 and the compression of the primary fluids are not shown. After the heat exchange, the CO2 content is high. 109. Only that which is different from FIG. 1 is shown, and which essentially concerns the refrigerating cycles bringing cold to the exchanges 109 and 111.
  • FIG. 2 illustrates a variant of the quasi-isentropic expansion with production of work, where the working fluid is the CO2-poor gas 44.
  • the cryo-condensation process is the same as in FIG. 1. Only the modifications are detailed herein. -Dessous.
  • the CO2-poor gas 44 is compressed for example by a stage compressor 315.
  • the fluid 303 is cooled, if necessary, to the inlet temperature of the exchanger 109 via the exchanger 316. It may be in direct contact with or indirect.
  • the compressed CO2-poor gas 304 is cooled in the exchanger 109 to be able to be expanded in the turbine 312 (almost isentropic expansion), in order to supply a part of the cold necessary for the exchange 111.
  • the fluid 307 exiting the exchanger 1 11 is again expanded (almost isentropic expansion) to provide work and cold for the heat exchanger 111 via the fluid 308. This loosening loop of the poor gas CO2 can be repeated as many times as necessary.
  • the CO2-poor gas 46 is heated in the exchanger 109.
  • the outgoing fluid 48 is treated as the fluid 48 of FIG.
  • Part of the cold necessary for the exchanger 11 may be provided by a Rankine-type refrigerant cycle 191, 193.
  • Figure 3 illustrates another variant of the quasi-isentropic expansion with work output.
  • the CO2-poor gas 44 gives up these frigories in the exchangers 111 and 109. It is then compressed by the compressor 415 stage. Then it is cooled if necessary to the inlet temperature of the exchanger 109 in the exchanger 416. This may be direct or indirect contact.
  • the CO2-poor gas 404 is again cooled in the exchanger 109 before being expanded by the turbine 412. This quasi-isentropic turbine produces the cold necessary to compensate for part of the deficiency of frigories of the exchanger 111.
  • the fluid 407 is again expanded by the quasi-isentropic turbine 414.
  • the fluid 408 gives up its frigories to compensate for a part of the deficit of frigories of the exchanger 111.
  • This expansion loop of the CO2-poor gas can be repeated as many times as before. times as necessary.
  • the CO2-poor gas 46 is heated in the exchanger 109. Finally, the outgoing fluid 48 is treated as the fluid 48 of FIG.
  • FIG. 4 illustrates another variant of the quasi-isentropic expansion with production of work.
  • the fluid to be treated 40 is compressed by the compressor 512 which can be floor.
  • the CO2-poor gas is expanded in a near isentropic turbine 514.
  • the temperature of the fluid 503 must remain above the cryo-condensation temperature of the CO2.
  • the solid CO2 62 is poured into the liquid bath 121 and the following steps are the same as those described in FIG. 1 (from the bath 121 and stream 64).
  • the CO2-poor gas 44 transmits its frigories to exchangers 111 and 109.
  • Outgoing fluid 48 is treated as fluid 48 of FIG.
  • FIG. 5 illustrates another variant of the quasi-isentropic relaxation with production of work, in which the working fluid is the fluid to be treated.
  • This 612 expansion turbine must be designed with great care. It must be adapted to large flows such as those of fumes 40 of an industrial plant, have a very good isentropic efficiency, and resist the possible additional erosion due to the presence of solid CO2. To do this, the presence of dry ice in the rotor part of the turbine (zone between the leading edge 951 and the trailing edge 954 in FIGS. 14 and 15 is forbidden, or prohibited, or in the stator part 960 upstream of the rotor part (zone upstream of the trailing edge of the stator vanes 950), it must be minimized so as not to erode the leading edge of the vanes 952 of the rotor part.
  • the CO2 is in the vapor or supersaturated vapor state in the stator part, or that it has carbon dioxide nuclei sufficiently small to prevent erosion of the rotor part (less than 10 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m of hydraulic diameter).
  • the turbine may be radial (centripetal or centrifugal). It can be supersonic shock wave. It can be axial.
  • This last technology is best suited to large flows, but it requires many successive stator and rotor stages. To avoid erosion, it will be preferable to separate the dry ice downstream of each rotor stage, before the entry of the fluid into the next stator stage.
  • the first two technologies have the advantage of remaining effective for high relaxation rates (greater than 10), so they avoid having to perform multiple separations.
  • This separation can be done downstream of the rotor part by using the rotation of the fluid in the rotor part as well as the centrifugal effect to separate a rich fraction CO2 at the periphery of a fraction depleted of CO2 in the center. It may also be interesting to realize a setting speed and thus additional relaxation of the fluid in a convergent 956 (so-called Laval turbine). By decreasing the pressure before deceleration of the gas, this makes it possible to increase the amount of solidified CO2. Most of the CO2-poor gas is recovered at the center of the 959 flow and the bulk of the solid CO2 at the periphery 958 is mixed with a gas fraction.
  • an additional refrigerant cycle 191, 193 of the Rankine type or comprising a quasi isentropic expansion of a working fluid with or without production of work brings cold to the separator 612.
  • the solid comprising predominantly CO2 62 is poured into the bath 121 and the following steps are the same as those shown in FIG.
  • the CO2-poor gas 44 is heated by heat exchange with the fluid to be treated in the exchanger 109.
  • the fluid 605 is then compressed at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
  • the outgoing fluid 48 is treated as in FIG.
  • FIG. 6 illustrates an embodiment with almost isentropic expansion without production of work.
  • the fluid to be treated 42 is still cooled below the cryocondensation temperature of the CO2 in the enclosure 111 to produce a CO2-depleted gas 701 and cooled. It is also possible to place this chamber after the "relaxation / Venturi" portion 702 of the process, which will now be described.
  • Part of the CO2 to be captured has solidified in the form of a solid containing mainly CO2 62 and is extracted from the chamber 1 11.
  • the fluid 701 is rotated around a axis substantially parallel to the direction of its flow by a system of fixed vanes 717.
  • the fluid 703 is expanded at the outlet of the fins and cools below the cryo-condensation temperature of the CO2 without producing work.
  • the expansion can be effected by the Venturi effect by passing the fluid into a restriction 718. Solid particles comprising predominantly CO2 are formed and are recovered at the periphery of the flow due to the centrifugal effect induced by the rotation of the fluid.
  • a 705 mixture of solid comprising mainly CO2 and gas is recovered.
  • the stream 705 is composed mainly of solid, however it may be necessary to separate the residual gas from the solid in a separator pot 731.
  • the incondensable part then yields its frigories in the exchangers 11 1 and 109.
  • the solid comprising predominantly CO2 62 is poured into the liquid bath 121 and undergoes the same steps as those described in Figure 1.
  • the flows 48 are used to cool the water, in the same way as the stream 50 of FIG.
  • FIG. 7 illustrates another embodiment with almost isentropic expansion without production of work.
  • the fluid to be treated 40 is under pressure, for example up to 60 bar (compression performed by the compressor 101 or by an additional compressor). It is possibly more concentrated in CO2 than in the other examples, typically between 50 and 90% by volume.
  • the exchange 809 has the same characteristics as the exchange 109 of Figure 1.
  • the exchanger 811 cools the fluid to be treated 42 at a temperature below the liquefaction temperature of CO2.
  • a cooled process fluid 801 is outputted to a separator pot 812.
  • a CO2-rich liquid 816 is extracted by the separator 812.
  • the residual fluid 802 is rotated about an axis substantially parallel to the direction of its flow. flow through a system of fixed fins 817. It is relaxed output 803 fins after its rotation and cools below the cryo-condensation temperature of CO2 without producing work.
  • the expansion can be effected by Venturi effect by passing the fluid in a restriction 818.
  • Solid particles comprising predominantly CO2 are formed and are recovered at the periphery of the flow due to the centrifugal effect induced by the rotation of the fluid.
  • the stream 805 is composed mainly of solid, however it may be necessary to separate the residual gas from the solid in a separator pot 841.
  • the incondensables 44 yield their frigories in the exchangers 811 and 809.
  • a second (or even a third or more) almost isentropic expansion stage of the fluid 806 with Venturi effect is identical to the previous one: the fluid 806 is rotated about an axis substantially parallel to the flow direction by a fixed fin system 807; after being set in rotation, the fluid at the outlet of the fins 808 is expanded to cool it below the cryo-condensation temperature of the CO 2 without production of work.
  • the expansion can be effected by the Venturi effect by passing the fluid in a restriction 822.
  • FIG. 8 represents a coal-based electricity generation installation, implementing various purification units 4, 5, 6 and 7 of the fumes 19.
  • a primary air flow 15 passes through the unit 3 where the coal 15 is sprayed and driven to the burners of the boiler 1.
  • a secondary air flow 16 is supplied directly to the burners to provide additional oxygen. necessary for an almost complete combustion of coal.
  • Supply water 17 is sent to boiler 1 to produce steam 18 which is expanded in a turbine 8.
  • Unit 4 removes NOx for example by catalysis in the presence of ammonia.
  • Unit 5 removes dust for example by electrostatic filter and unit 6 is a desulfurization system for removing SO2 and / or SO3. Units 4 and 6 may be redundant depending on the composition of the required product.
  • the purified flow 24 from unit 6 (or 5 if 6 is not present) is sent to a low temperature purification unit 7 by cryo-condensation to produce a relatively pure CO2 flow rate 26 and a residual flow rate. enriched in nitrogen.
  • This unit 7 is also called a CO2 capture unit and implements the method that is the subject of the invention, as illustrated, for example, by FIGS. 1 to 7.
  • FIG. 9 represents a coal-based electricity generation installation, implementing different purification units 5 and 7 of the fumes 19.
  • a primary air flow 15 passes through unit 3, where coal 15 is pulverized and driven to the burners of boiler 1.
  • a secondary oxidizer flow 16 is supplied directly to the burners to provide additional oxygen. necessary for an almost complete combustion of coal. This secondary oxidant results from the mixture of recirculated fumes 94 using a fan 91 and oxygen 90 produced by an air gas separation unit 10.
  • Feed water 17 is sent to the boiler 1 for producing steam 18, which is expanded in a turbine 8.
  • Unit 5 removes dust, for example by means of an electrostatic filter.
  • the de-dusted flow 24 from the unit 5 is sent to a low temperature purification unit 7, by cryo-condensation, to produce a relatively pure CO2 flow rate and a nitrogen-enriched residual flow rate.
  • This unit 7 is also called a CO2 capture unit and implements the method that is the subject of the invention, as illustrated, for example, by FIGS. 1 to 7.
  • the fluid 93 can be under liquid, gaseous or diphasic form and consists of a mixture of cooled air gases.
  • it may be air or cold nitrogen gas (between -56 0 C and -196 0 C), or air or liquid nitrogen. It is intended to be introduced into the enclosure referenced 1 11 in FIGS. 1 to 4 and in FIG. 6, 612 in FIG. 5, 731 in FIG. 6 and finally 841, 851 in FIG. can also produce a fluid 92 that will be used in the air separation unit.
  • This lean gas in a way, returns cold to the unit 10 at a higher temperature level than that brought from the unit 10 by the fluid 93. It is advantageous to vary in time the flow rate of this injection of fluid 93.
  • liquid nitrogen can be produced and stored at night, when energy is available and cheap, and liquid nitrogen can be injected during the day so as to reduce the energy consumed.
  • the moment when the cold is produced by the unit 10 (for example liquid nitrogen) and when it is used in the unit 7 is dissociated. In this case, the quasi-isentropic expansion of a gas can be carried out in the unit 10 rather than unit 7.
  • This scheme may prove to be well adapted to cases of modification of existing factories, where the replacement of the primary air sent to the carbon sprays by a mixture of recycled fumes plus oxygen can prove to be complex, partly because of the increasing the water content, fumes containing much more than moist air, and secondly for safety reasons, although this should not be overestimated.
  • FIG 10 shows schematically the use of a method according to the invention in a steel plant.
  • An air separation unit 10 supplies oxygen 90 to a blast furnace 900 into which iron ore 901 and carbon products 902 (coal and coke) are additionally introduced.
  • the blast furnace works in this case in the presence of very little nitrogen.
  • the blast furnace gases 903 composed for example of 47% CO, 36% CO 2, 8% N 2 and 9% other compounds such as H 2 and H 2 O can be divided in half.
  • Most of the 905 goes to the CO2 capture unit, another part 904 serves to deconcentrate the nitrogen content in the loop.
  • the fluid 905 is previously cooled in a direct contact heat exchanger 906, dedusted in the filter 103, then compressed by a compressor 901, cooled in a heat exchanger 105 and dried in a dryer 107, before entering the heat exchanger at low temperature 109, where it will be cooled and then partially liquefied at a temperature close to the triple point of CO2 without solid formation.
  • the two-phase gas-liquid fluid 912 obtained is separated into a gaseous fraction 502 and a liquid fraction 920 in the separator 928.
  • the gaseous fraction 502 is then cooled by a quasi-isentropic expansion, for example in a turbine 514, so as to obtain a two-phase fluid gas-solid 503.
  • This is separated in the enclosure 1 11 in a fraction gas 44 and a solid fraction 62 rich in CO2.
  • the solid fraction 62 is compressed for example by a worm and mixed with the liquid 920 in the bath 121, which is heated by gas 72 produced by the vaporization of the liquid 74 in the exchanger 109.
  • the liquid CO2 64 is compressed by a pump 69 so as to obtain a pressurized liquid 70 and heated in the exchanger 109 without undergoing vaporization, or pseudo-vaporization if the pressure is greater than the supercritical pressure.
  • the lean gas is successively heated by a compressor 315 and the exchanger 109.
  • the invention can also be adapted for types of blast furnace operating with enriched air, for example by adding a CO / N2 separation by cryogenic distillation, cooling the gas 44 to the necessary temperature.
  • FIG. 11 schematically represents the use of a process according to the invention in an installation for producing synthesis gas from an oxygen process (partial oxidation, gasification, auto-thermal reformer, etc.) .
  • An air gas separation unit 10 supplies oxygen 90 to a reactor 900 into which a carbon product 902 (coal, natural gas, biomass, household waste, etc.) is introduced.
  • the synthesis gas 903 mainly comprises the compounds CO, CO2, H2 and H2O.
  • the CO can be converted (so-called shift reaction) into CO2 and H2 in the presence of water vapor: CO + H2O ⁇ -> CO2 + H2.
  • the fluid 905 may optionally be dedusted in a filter 103, then compressed by a compressor 101, cooled in an exchanger 105 and dried in a dryer 107, before entering the low temperature heat exchanger 109, where it may be partially liquefied at a temperature close to that of the triple point of CO2.
  • This two-phase gas-liquid fluid 912 is separated into a gaseous fraction 502 and a liquid fraction 920 in the separator 928.
  • the gaseous fraction 502 is then cooled by a quasi-isentropic expansion, for example in a turbine 514, so as to obtain a gas-solid two-phase flow 503.
  • This is separated into a gaseous fraction 44 and a CO2-rich solid fraction 62 in the enclosure 111.
  • the solid fraction 62 is mixed with the liquid 920 in the bath 121, which is heated with water.
  • gas 74 produced by the vaporization of the liquid 72 in the exchanger 109.
  • the liquid CO2 64 is compressed by a pump and heated in the exchanger 109 without undergoing vaporization, or pseudo-vaporization if the pressure is greater than the supercritical pressure .
  • the lean gas 44 is successively heated by a compressor 924 and the exchanger 109.
  • This lean gas consists essentially of hydrogen can be sent to a gas turbine to achieve combustion without CO2 emissions.
  • the unit 10 can supply hot nitrogen 90a, which will be introduced downstream of the dryers 910, and / or cold nitrogen 90b introduced directly into the chamber 111 to increase the amount of CO2 captured.
  • the expansion in the turbine 514 of the hot nitrogen present in the flow 502 provides additional cooling for the solid cryo-condensation of the CO2 in the turbine 514; in the second case, the cold nitrogen 90b, by heating in contact with the fluid 503, generates the solid cryo-condensation of CO2.
  • the other advantage of the hot nitrogen 90a is to increase the molecular weight of the gas 502, which can be interesting to reduce the cost of relaxation 514 and / or compression 924. Indeed, when these gases are very rich in hydrogen, it is not easy to compress / relax these gases with the most appropriate technologies at high rates, namely axial, radial or supersonic shock wave type technologies. It is then necessary to use volumetric type technologies such as piston or screw very expensive to implement.
  • FIG 12 shows schematically the use of a process according to the invention in a synthesis gas production facility from a steam reforming.
  • Carbonaceous product 902 (natural gas, methanol, naphtha, etc.) is introduced into a reactor 900.
  • the synthesis gas 903 produced in the reactor 900 mainly comprises the compounds CO, CO2, H2 and H2O.
  • the fluid 905 can optionally be compressed by a compressor 101, cooled in an exchanger 105 and dried in a dryer 107, before entering a low temperature heat exchanger 109, where it can be partially liquefied at a temperature close to that of the point. triple CO2.
  • the two-phase gas-liquid fluid 912 obtained is separated into a gaseous fraction 502 and a liquid fraction 920 in the separator 928.
  • the gaseous fraction 502 is then cooled by a quasi-isentropic expansion, for example in a turbine 514, so as to obtain a gas-solid two-phase 503.
  • the solid fraction 62 is mixed with the liquid 920 in the bath 121, which is heated with water.
  • gas 74 produced by the vaporization of the liquid 72 in the exchanger 109.
  • the liquid CO2 64 is compressed by a pump and heated in the exchanger 109 without undergoing vaporization, or pseudo-vaporization if the pressure is greater than the supercritical pressure .
  • the lean gas 44 can then be purified to CO2 at low temperature for example by adsorption with a 13X molecular sieve before being introduced into a cryogenic unit 924 for the production of CO. This works for example by washing with methane or partial condensation of CO.
  • This unit 924 produces a hydrogen enriched gas 929 and a CO 925 enriched gas.
  • a fluid or several fluid of this unit can be compressed at low temperature and then reintroduced into the heat exchanger 926.
  • the cryocooler Solid condensation replaces CO2 removal by absorption with amines (MDEA or MEA).
  • MDEA absorption with amines
  • these solid cryo-condensation processes are in deficit of cold. In fact, it is not so.
  • gas to be treated which is cooled at low temperature before compression; - CO2-poor gas that is compressed at low temperature (see Figure 2). It can either be relaxed again or compressed under vacuum to bring it back to atmospheric pressure, or relax after heating in the hot part of the process that produced the gas to be treated; o indirect solid cryo-condensation in an exchanger; externally: o cold compression of any fluid of the installation; o production of liquid nitrogen and / or liquid air; o transcritical Rankine cycle on CO2.
  • FIG. 13 schematically represents the use of a process according to the invention implementing a transcritical Rankine cycle on CO2. It also includes the characteristics of a process in which a liquid cryo-condensation is successively carried out, then a solid cryo- condensation and where the purity of the CO2 produced by two distillation columns is improved, one to eliminate the components less volatile than CO2 (NO2 or N2O4, SO2, ...) and another to eliminate the more volatile components.
  • the fluid 24 consists of fumes and may be at a temperature of the order of 15O 0 C is injected into a filter 103 to remove the particles to a concentration level of less than 1 mg / m 3 , preferably less than 1 mg / m 3. 100 ⁇ g / m 3 .
  • the dust-free fluid 30 is cooled to a temperature close to 0 ° C., generally between 0 ° C. and 100 ° C., so as to condense the water vapor that it contains.
  • This cooling is performed in a tower 105b, with two-level water injection, cold water 36b and water at a temperature close to the humid temperature of the ambient air 34b.
  • Tower 105 may or may not have packings. This tower can also serve as a SO2 scrubber.
  • the optionally desaturated fluid is compressed at a pressure between 5 and 50 bar abs in the compressor 101.
  • the fluid 32 is cooled to a temperature close to 0 ° C., generally between 0 ° C. and 10 ° C. C, so as to condense the water vapor that it contains.
  • This cooling is performed in a tower 105, with two-level water injection, cold water 36 and water at a temperature close to the humid temperature of the ambient air 34. It is also possible to envisage indirect contact.
  • Tower 105 may or may not have packings.
  • the fluid 38 is sent to a residual water vapor removal unit 107, using, for example, one and / or the other of the following methods: Adsorption on fixed beds, fluidized beds and / or rotary dryer, the adsorbent may be activated alumina, silica gel or a molecular sieve (3A, 4A, 5A, 13X, ...); Condensation in a direct or indirect contact exchanger.
  • the fluid to be treated 40 is cooled and then contacted in a distillation column 79 with pure CO2, so as to recover the less volatile compounds that the CO2 in the form of a liquid containing CO2 and for example NO2 ( or its dimer N2O4).
  • This liquid can be pumped and vaporized in the unit 78, then sent either into a combustion chamber to reduce the NO 2, or into the purification unit of the flow by low pressure washing of the SO 2, to serve as reagent either directly as NO2 or as nitric acid after reaction with water.
  • the fluid to be treated 74a is then cooled and partially condensed in liquid form and sent to the separator 76.
  • the liquid fraction 76a is sent to the bath 121.
  • the gaseous fraction 76b is sent to an expansion turbine so as to produce a two-phase flow therein.
  • gas-solid 42 which is sent into the chamber 111 to be separated between a CO2-poor gas 44 and solid CO2 62.
  • An auxiliary fluid 93 for example from an air separation unit can possibly provide additional cooling for solid cryo-condensation. In this case, it may be advantageous to take from the CO2-poor gas 44 a fluid 92 which returns to the unit which supplied the fluid 93.
  • the solid 62 is compressed for example by a worm and injected into the bath liquid CO2 121, from which a liquid 64 is taken.
  • This liquid can optionally be pumped and introduced into a distillation column 75 to remove more volatile compounds than CO2.
  • the pure liquid 68 is heated without vaporization, or pseudo-vaporization if it is supercritical. It can be pumped again to obtain the fluid ready for transport.
  • Part of the fluid 5 can be removed for vaporization, or pseudo-vaporization, in a unit 72.
  • This unit 72 is for example any source of heat from the plant producing the fluid to be treated.
  • This portion of the fluid 80 is then expanded in a turbine 73 used to produce electricity or mechanical power, then cooled in the exchanger 109 and condensed by direct exchange in the bath 121, while carrying out the melting of the solid CO2 .
  • the fluid 48 may also serve in particular to regenerate the residual vapor removal unit 107 and / or to produce cold water 36a by evaporation in a direct contact tower 115 where the a dry fluid 50 is introduced which will saturate with water by vaporizing a part.
  • the cold water can undergo additional cooling in a refrigeration unit 1 19. Then, this cold water can be used in one and / or the other of the towers 105 and 105b so as to cool the gas to be treated before and / or after compression.
  • FIGs 14 and 15 show a turbine for performing a virtually isentropic expansion of the fluid to be treated with production of external work according to the invention.
  • the upstream stator portion 960 begins with the volute (not shown) and then with vanes 950 which can be fixed or variable.
  • vanes 950 which can be fixed or variable.
  • the rotor part Downstream of the rotor part, if it is not desired to use the centrifugal force on the solid parts, the rotor part may consist of a simple deceleration cone. If it is desired to use the downstream stator part 961 to achieve a first separation, it is possible to use the rotation of the fluid in the rotor part as well as the centrifugal effect to separate a fraction rich in CO2 at the periphery of a depleted fraction. CO2 in the center. It may also be interesting to realize a speed setting and therefore an additional relaxation of the fluid in a convergent 956 (turbine called "Laval"). By decreasing the pressure before deceleration of the gas, this makes it possible to increase the amount of solidified CO2. Most of the CO2-poor gas is recovered at the center of the 959 flow and the bulk of the solid CO2 at the periphery 958 is mixed with a gas fraction.

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Abstract

Procédé de production d'au moins un gaz pauvre en C02 et d'un ou plusieurs fluides primaires riches en C02 à partir d'un fluide à traiter comprenant du C02 et au moins un composé plus volatil que le C02, mettant en oeuvre : a) un premier refroidissement dudit fluide à traiter par échange de chaleur sans changement d'état; b) un second refroidissement d'au moins une partie dudit fluide à traiter refroidi à l'étape a) de manière à obtenir au moins un solide comprenant majoritairement du C02 et au moins ledit gaz pauvre en C02; et c) une étape comprenant la liquéfaction et/ou la sublimation d'au moins une partie dudit solide et permettant d'obtenir lesdits un ou plusieurs fluides primaires riches en C02; ledit procédé étant caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée dans au moins une turbine de détente, ledit solide se formant à l'intérieur de ladite turbine.

Description

Procédé de capture de CO2 par cryo-condensation solide dans une turbine
La présente invention concerne un procédé de capture de dioxyde de carbone dans un fluide comprenant au moins un composé plus volatil que le dioxyde de carbone CO2, par exemple le méthane CH4, l'oxygène 02, l'argon Ar, l'azote N2, le monoxyde de carbone CO, l'hélium He et/ou l'hydrogène H2.
L'invention peut s'appliquer notamment aux unités de production d'électricité et/ou de vapeur à partir de combustibles carbonés tels que le charbon, les hydrocarbures (gaz naturel, fuel, résidus pétroliers...), les ordures ménagères, la biomasse mais aussi à des gaz de raffineries, d'usines chimiques, d'usines sidérurgiques ou de cimenteries, au traitement du gaz naturel en sortie de puits de production. Elle pourrait aussi s'appliquer aux fumées de chaudières servant au chauffage de bâtiments, voire au gaz d'échappement de véhicules de transport, plus généralement à tout processus industriel générant des fumées comprenant du CO2.
Le dioxyde de carbone est un gaz à effet de serre. Pour des raisons environnementales et/ou économiques, on souhaite de plus en plus réduire, voire annuler, les rejets de CO2 dans l'atmosphère, en le capturant, puis par exemple, en le stockant dans des couches géologiques appropriées ou en le valorisant en tant que produit.
On connaît un certain nombre de techniques permettant de capturer le dioxyde de carbone, par exemple des procédés fondés sur des lavages des fluides avec des solutions de composés qui séparent le CO2 par réaction chimique, par exemple lavage à l'aide de MEA. Ces procédés comportent typiquement les inconvénients suivants :
consommation d'énergie élevée (liée à la régénération du composé qui réagit avec le CO2), dégradation du composé réagissant avec le dioxyde de carbone, corrosion due au composé réagissant avec le dioxyde de carbone.
Dans le domaine de la cryo-condensation, c'est à dire le refroidissement jusqu'à l'apparition de CO2 solide, citons le document FR-A-2820052 qui divulgue un procédé permettant l'extraction du CO2 par anti-sublimation, c'est à dire solidification à partir d'un gaz sans passage par l'état liquide. Le froid nécessaire est apporté au moyen d'une distillation fractionnée de fluides frigorigènes. Ce procédé est très gourmand en énergie.
Le document FR-A-2894838 divulgue le même type de procédé, avec un recyclage d'une partie du CO2 liquide produit. Le froid peut être fourni par la vaporisation de GNL (gaz naturel liquéfié). Cette synergie réduit la consommation énergétique spécifique du procédé, qui reste malgré tout élevée, et nécessite un terminal GNL.
Le document US-A-3614872 décrit un procédé de séparation où la détente adiabatique et isentropique du dioxyde de carbone fournit un fluide réfrigérant.
Un but de la présente invention est de proposer un procédé amélioré de capture du dioxyde de carbone à partir d'un fluide comprenant du CO2 et au moins un composé plus volatil que celui-ci.
L'invention concerne d'abord un procédé de production d'au moins un gaz pauvre en CO2 et d'un ou plusieurs fluides primaires riches en CO2 à partir d'un fluide à traiter comprenant du CO2 et au moins un composé plus volatil que le CO2, mettant en œuvre : a) un premier refroidissement dudit fluide à traiter par échange de chaleur sans changement d'état ; b) un second refroidissement d'au moins une partie dudit fluide à traiter refroidi à l'étape a) de manière à obtenir au moins un solide comprenant majoritairement du CO2 et au moins ledit gaz pauvre en CO2 ; et c) une étape comprenant la liquéfaction et/ou la sublimation d'au moins une partie dudit solide et permettant d'obtenir lesdits un ou plusieurs fluides primaires riches en CO2 ; ledit procédé étant caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée dans au moins une turbine de détente, ledit solide se formant à l'intérieur de ladite turbine.
Le fluide à traiter provient en général d'une chaudière ou de toute installation produisant des fumées. Ces fumées peuvent avoir subi plusieurs pré-traitements, notamment pour enlever les NOx (oxydes d'azote), les poussières, les SOx (oxydes de soufre) et/ou l'eau.
Avant la séparation, le fluide à traiter est soit monophasique, sous forme gazeuse ou liquide, soit polyphasique. Par forme « gazeuse », il faut entendre « essentiellement gazeux », c'est- à-dire qu'il peut contenir notamment des poussières, des particules solides telles que des suies et/ou des gouttelettes de liquide.
Le fluide à traiter contient du CO2 que l'on souhaite séparer par cryo-condensation des autres constituants dudit fluide. Ces autres constituants comprennent au moins un ou plusieurs composés plus volatils que le dioxyde de carbone au sens de la condensation, par exemple le méthane CH4, l'oxygène 02, l'argon Ar, l'azote N2, le monoxyde de carbone CO, l'hélium He et/ou l'hydrogène H2. Les fluides à traiter comprennent en général majoritairement de l'azote, ou majoritairement du CO ou majoritairement de l'hydrogène. Le fluide à traiter provient en général d'une chaudière ou de toute installation produisant des fumées. Ces fumées peuvent avoir subi plusieurs pré-traitements, notamment pour enlever les NOx (oxydes d'azote), les poussières, les SOx (oxydes de soufre) et/ou l'eau.
Avant la séparation, le fluide à traiter est soit monophasique, sous forme gazeuse ou liquide, soit polyphasique. Par forme « gazeuse », il faut entendre « essentiellement gazeux », c'est- à-dire qu'il peut contenir notamment des poussières, des particules solides telles que des suies et/ou des gouttelettes de liquide.
Le fluide à traiter contient du CO2 que l'on souhaite séparer par cryo-condensation des autres constituants dudit fluide. Ces autres constituants comprennent au moins un ou plusieurs composés plus volatils que le dioxyde de carbone au sens de la condensation, par exemple le méthane CH4, l'oxygène 02, l'argon Ar, l'azote N2, le monoxyde de carbone CO, l'hélium He et/ou l'hydrogène H2. Les fluides à traiter comprennent en général majoritairement de l'azote, ou majoritairement du CO ou majoritairement de l'hydrogène.
A l'étape a) le fluide à traiter est d'abord refroidi sans changement d'état. Ce refroidissement peut avantageusement se faire au moins en partie par échange de chaleur avec des fluides riches en CO2 issus du procédé de séparation. De manière complémentaire ou alternative, il peut avantageusement se faire au moins en partie par échange de chaleur avec le gaz pauvre en CO2 issu du procédé de séparation. Ces fluides froids issus de la séparation sont réchauffés, tandis que le fluide à traiter est refroidi. Ceci permet de réduire la quantité d'énergie nécessaire à l'opération de refroidissement.
L'étape b) consiste à solidifier du CO2 initialement gazeux en portant le fluide à traiter à une température en dessous du point triple du CO2, alors que la pression partielle du CO2 dans le fluide à traiter est inférieure à celle du point triple du CO2. Par exemple, la pression totale du fluide à traiter est proche de la pression atmosphérique. Cette opération de solidification est parfois appelée « cryo-condensation » ou « anti-sublimation » du CO2 et par extension du fluide à traiter.
Selon un mode particulier de réalisation, tous les composants du fluide à traiter qui ne se solidifient pas à l'étape a), ou ne sont pas pris en masse avec le CO2 solide, restent à l'état gazeux. Ils constituent le gaz pauvre en CO2.
Certains composés plus volatils que le CO2 ne se solidifient pas et restent à l'état gazeux. Avec le CO2 non solidifié, ils vont constituer ledit gaz pauvre en CO2, c'est à dire comprenant moins de 50% de CO2 en volume et préférentiellement moins de 10% CO2 en volume. Selon un mode particulier, ledit gaz pauvre en CO2 ∞mprend plus de 1 % de C02 en volume. Selon un autre mode particulier, il en comporte plus de 2%. Selon un autre mode particulier, il en comporte plus de 5%. Il se forme un solide comprenant majoritairement du CO2, c'est à dire au moins 90% en volume ramené à l'état gazeux, préférentiellement au moins 95% en volume et encore plus préférentiellement au moins 99% de CO2 en volume.
Ce solide peut comporter d'autres composés que du CO2. On peut citer par exemple d'autres composés qui se seraient également solidifiés, ou bien des bulles et/ou des gouttes de fluide prises en masse dans ledit solide. Ceci explique que le solide puisse ne pas être purement constitué de CO2 solide. Ce « solide » peut comporter des parties non solides telles que des inclusions fluides (gouttes, bulles, etc.).
Ce solide est ensuite isolé des composés non solidifiés après la cryo-condensation et récupéré. Puis, à l'étape c), il est ramené à des conditions de température et de pression telles qu'il passe à un état fluide, liquide et/ou gazeux. Il peut donc se produire une liquéfaction d'au moins une partie dudit solide. Celui-ci donne ainsi naissance à un ou plusieurs un fluides primaires riches en CO2. Ces fluides sont dits « primaires » pour les distinguer de fluides procédé qui sont dits « secondaires ». Par « riche en CO2 », il faut entendre « comprenant majoritairement du CO2 » au sens défini ci-dessus.
Les inventeurs ont montré qu'il particulièrement intéressant de réaliser le premier et/ou le second refroidissement du fluide à traiter grâce à un ou plusieurs cycles frigorifiques comprenant chacun au moins une détente quasi isentropique d'un gaz. Ces cycles frigorifiques sont constitués de plusieurs étapes qui font passer un fluide dit « de travail » par plusieurs états physiques caractérisés par des conditions données de composition, température, pression... La présence, parmi les étapes du cycle, d'au moins une détente quasi isentropique, c'est à dire faisant augmenter l'entropie du fluide détendu de moins de 25%, préférentiellement moins de 15% et encore plus préférentiellement moins de 10%, permet d'améliorer la consommation d'énergie du procédé de séparation. Par convention, l'entropie est prise nulle à une température de zéro K (kelvin).
Selon le cas, le procédé selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- ledit solide est sous forme de neige carbonique.
- ladite turbine de détente comprend au moins une partie rotorique et une au moins une partie statorique située en amont de ladite partie rotorique et que l'étape b) est réalisée dans ladite partie rotorique. Ladite partie rotorique est la zone située entre le bord d'attaque et le bord de fuite des ailettes du rotor ; elle comprend le volume déplacé par le rotor lors de sa rotation.
- ledit fluide à traiter comprenant du CO2 et au moins un composé plus volatil que le CO2 reste à l'état vapeur dans ladite partie statorique.
- ledit fluide à traiter est à l'état vapeur sursaturée dans ladite partie statorique située en amont de ladite partie rotorique.
- ladite turbine de détente est radiale centripète ou radiale centrifuge ou axiale ou supersonique à onde de choc.
- le procédé comprend en outre, postérieurement à l'étape b), une étape b1 ) où l'on sépare ledit solide comprenant majoritairement du CO2 et ledit gaz pauvre en CO2 obtenus à l'étape b) en au moins une fraction riche en CO2 et une fraction pauvre en CO2, ladite étape b1 ) étant réalisée dans une zone située en aval de ladite partie rotorique. « En aval de ladite partie rotorique » signifie en aval du bord de fuite des ailettes du rotor.
- à l'étape b), on imprime un mouvement de rotation audit solide comprenant majoritairement du CO2 et audit gaz pauvre en CO2 et, à l'étape b1 ), la séparation dudit solide comprenant majoritairement du CO2 dudit gaz pauvre en CO2 obtenus à l'étape b) comprend une séparation par un effet centrifuge induit par ledit mouvement de rotation imprimé, à l'étape b), audit solide comprenant majoritairement du CO2.
- on chauffe certaines parties de ladite turbine. Ces parties sont, par exemple, les celles en contact avec le fluide de la partie statorique en amont du rotor, de la partie rotorique et/ou de la partie statorique en aval du rotor.
- ladite turbine comprend des surfaces polies et/ou revêtues d'un matériau donné destinées à limiter la nucléation hétérogène dudit solide comprenant majoritairement du CO2 sur lesdites surfaces et/ou sur ledit matériau de revêtement.
- ledit fluide à traiter comprend des composés moins volatils que le CO2 et que ledit procédé comprend, préalablement à l'étape b), une ou plusieurs étapes de purification dudit fluide à traiter (40) desdits composés moins volatils. Si l'on n'éliminait pas ces composés, ils risqueraient de former des composés solides à des températures supérieures à la température de cryo- condensation solide du CO2 et donc de permettre l'initiation de la nucléation du CO2 plus précocement. - lesdits composés moins volatils que le CO2 sont parmi H2O, SO2, NxOy et les composés solides présents dans le gaz à traiter à la température ambiante.
- on élimine du fluide à traiter (dans l'unité 103) les composés solides à des niveaux inférieurs à 1 mg/m3, de préférence inférieurs à 100 μg/m3.
- ladite turbine comprend du titane.
- les matériaux utilisés dans la masse de la turbine ou comme revêtement sont résistants à l'érosion par des particules de solide comprenant majoritairement du CO2 . On peut par exemple employer du titane.
- on injecte un gaz de balayage dans ladite turbine, ledit gaz de balayage entrant en contact avec ledit fluide à traiter. Ce gaz de balayage peut par exemple être de l'air ou de l'azote et empêche la présence de CO2 solide au dos de la partie rotorique ; si du solide s'accumulait dans cette zone, il pourrait éroder la partie rotorique.
- ladite turbine a un degré de réaction supérieur à 50 %, c'est-à-dire que plus de 50% de la chute enthalpique du fluide (différence d'enthalpie entre l'entrée et la sortie de la turbine) se fait dans la partie rotorique.
Par ailleurs, l'étape b1 ) peut mettre en oeuvre deux cônes concentriques destinés à récupérer ladite fraction riche en CO2 et ladite fraction pauvre en CO2. A titre d'alternative, à l'étape b1 ), on peut également faire décélérer ledit solide comprenant majoritairement du CO2 et ledit gaz pauvre en CO2 obtenus à l'étape b), puis les séparer en ladite fraction riche en CO2 et ladite fraction pauvre en CO2par gravité.
Pour fournir une autre partie du froid nécessaire pour réaliser les premiers et/ou second refroidissements, on peut avoir recours à un ou plusieurs cycles comportant une détente non quasi isentropique d'un fluide, par exemple des cycles de Rankine inversé. Ils sont dits inversés car utilisés en cycles frigorifiques. Leur intérêt, comme complément aux cycles frigorifiques avec détente quasi isentropique, est de ne pas nécessiter une grande quantité de fluide de travail. En revanche, ils sont moins efficaces énergétiquement.
Selon un mode de réalisation, certaines des détentes quasi isentropiques du ou des cycles frigorifiques fournissent du travail. Les fluides de travail peuvent être de différentes natures. Selon différents modes de réalisation, ces fluides peuvent comprendre de l'azote et/ou de l'argon. Ils peuvent aussi comprendre tout ou partie du gaz pauvre en CO2 obtenu ou du fluide à traiter. Ces fluides peuvent être mélangés avec d'autres fluides ou avoir subi des étapes intermédiaires de compression, détente, etc.
Lorsque le fluide de travail du cycle frigorifique comprend tout ou partie du fluide à traiter, la ou les détentes quasi isentropiques sans fourniture de travail extérieur peuvent donner lieu à un refroidissement du fluide de travail tel que du CO2 solide apparaît. Ceci peut constituer tout ou partie du deuxième refroidissement du fluide à traiter. Selon un mode particulier de réalisation, ces détentes quasi isentropique sont effectuées à travers un Venturi (un col avec effet Venturi).
La mise en rotation du fluide dont il question ci-dessus peut être obtenue par tout moyen classique, par exemple par des ailettes convenablement orientées. La mise en vitesse a lieu par effet Venturi. La température du fluide de travail baisse. Des particules solides de CO2 apparaissent. Le fluide a un mouvement de rotation autour d'un axe sensiblement parallèle au sens de l'écoulement, comme une vrille. Ceci crée un effet centrifuge permettant de récupérer ces particules solides en périphérie de l'écoulement.
Selon un mode de réalisation préféré, le travail éventuellement produit par la ou les détentes quasi isentropiques sert en partie à comprimer des fluides dans d'autres étapes du procédé.
L'invention concerne aussi le procédé appliqué à des fumées industrielles dans un but de capture de CO2.
Selon un mode particulier, ces fumées sont issues d'une usine de production d'énergie (vapeur, électricité) et peuvent avoir subi des pré-traitements.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement une installation mettant en œuvre un procédé de purification du CO2 conforme à l'invention, avec un cycle frigorifique mettant en œuvre un fluide auxiliaire comme fluide de travail,
- la figure 2 représente schématiquement une partie d'une installation mettant en œuvre une variante de ce procédé, avec un cycle frigorifique utilisant le gaz pauvre en CO2 comme fluide de travail et comportant une détente quasi isentropique avec production de travail, - la figure 3 représente schématiquement une partie d'une installation mettant en œuvre une autre variante de ce procédé, avec un cycle frigorifique utilisant le gaz pauvre en CO2 comme fluide de travail et comportant une détente quasi isentropique avec production de travail,
- la figure 4 représente schématiquement une partie d'une installation mettant en œuvre une variante du procédé avec un cycle frigorifique utilisant le fluide à traiter comme fluide de travail et comportant une détente quasi isentropique avec production de travail, pendant laquelle il n'y a pas de cryo-condensation de CO2,
- la figure 5 représente schématiquement une partie d'une installation mettant en œuvre une variante du procédé avec un cycle frigorifique utilisant le fluide à traiter comme fluide de travail et comportant une détente quasi isentropique avec production de travail, pendant laquelle il y a cryo- condensation de CO2,
- la figure 6 représente schématiquement une partie d'une installation mettant en œuvre une variante du procédé avec un cycle frigorifique utilisant le fluide à traiter comme fluide de travail et comportant une détente quasi isentropique sans production de travail, pendant laquelle il y a cryo- condensation de CO2,
- la figure 7 représente schématiquement une partie d'une installation mettant en œuvre une variante du procédé, dans laquelle le second refroidissement comprend aussi une liquéfaction, et comportant en outre un cycle frigorifique utilisant le fluide à traiter comme fluide de travail et comprenant des détentes quasi isentropiques sans production de travail pendant lesquelles il y a cryo-condensation de CO2.
- la figure 8 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation de production d'électricité sur base charbon avec combustion à l'air.
- la figure 9 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation de production d'électricité sur base charbon avec combustion mixte ou à l'oxygène. - la figure 10 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation sidérurgique
- la figure 11 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation de production de gaz de synthèse fonctionnant à l'oxygène
- la figure 12 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation de production de monoxyde de carbone à partir d'un gaz de synthèse provenant d'un réformage à la vapeur d'un gaz de synthèse
- la figure 13 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention avec d'une part un cycle de production d'énergie utilisant le froid de la fusion du CO2 solide et d'autre part des purifications additionnelles par distillation des composés moins volatils que le CO2, puis des composés plus volatils que le CO2
- les figures 14 et 15 représentent une turbine pour réaliser une détente quasi isentropique du fluide à traiter avec production de travail extérieur conforme à l'invention. L'installation illustrée par la figure 1 met en oeuvre les étapes décrites ci-après. Le fluide 24 constitué de fumées est comprimée dans un compresseur 101 , notamment pour compenser les pertes de charges dans les différents équipements de l'installation. Notons que cette compression peut aussi être combinée avec la compression dite de tirage de la chaudière donnant naissance aux fumées. Elle peut aussi être réalisé entre d'autres étapes du procédé, ou à l'aval du procédé de séparation de CO2 ;
Le fluide comprimé 30 est injecté dans un filtre 103 pour éliminer les particules jusqu'à un niveau de concentration inférieur à 1 mg/m3, de préférence inférieur à 100 μg/m3. Puis, le fluide dépoussiéré 32 est refroidi à une température proche de O0C, en général entre O0C et 1O0C, de manière à condenser la vapeur d'eau qu'il contient. Ce refroidissement est réalisé dans une tour 105, avec injection d'eau à deux niveaux, eau froide 36 et eau à température proche de l'ambiante 34. On peut aussi envisager un contact indirect. La tour 105 peut avoir ou non des garnissages. Le fluide 38 est envoyé dans une unité d'élimination de la vapeur d'eau résiduelle 107, utilisant par exemple l'un et/ou l'autre des procédés suivants :
Adsorption sur lits fixes, lits fluidisés et/ou sécheur rotatif, l'adsorbant pouvant être de l'alumine activée, du gel de silice ou un tamis moléculaire (3A, 4A, 5A, 13X, ...) ; Condensation dans un échangeur à contact direct ou indirect. Le fluide séché 40 est ensuite introduit dans l'échangeur 109 où le fluide est refroidi jusqu'à une température proche, mais en tout état de cause, supérieure à la température de solidification du CO2. Celle-ci peut être déterminée par l'homme du métier connaissant la pression et la composition du fluide 40 à traiter. Cette dernière est située aux environs de -1000C si la teneur en CO2 du fluide à traiter est de l'ordre de 15% en volume et pour une pression proche de la pression atmosphérique.
Le fluide 42 ayant subi un premier refroidissement 109 est ensuite introduit dans une enceinte 111 pour poursuivre le refroidissement jusqu'à la température qui assure le taux de capture du CO2 souhaité. Il se produit une cryo-condensation d'au moins une partie du CO2 contenu dans le fluide 42, de manière à produire d'une part un gaz 44 appauvri en CO2 et d'autre part un solide 62 comprenant majoritairement du CO2. Le gaz 44 sort de l'enceinte 111 à une température de l'ordre de -12O0C. Cette température est choisie en fonction du taux de capture du CO2 visé. Avec cette température, la teneur en CO2 dans le gaz 44 est de l'ordre de 1.5% en volume, soit un taux de capture de 90% en partant d'un fluide à traiter comprenant 15% de CO2. Plusieurs technologies peuvent être envisagées pour cette enceinte 111 : - Echangeur de cryo-condensation solide en continu dans lequel on produit du CO2 solide sous forme de neige carbonique, que l'on extrait par exemple par une vis et que l'on pressurise pour l'introduire dans un bain de CO2 liquide 121 , où règne une pression supérieure à celle du point triple du CO2. Cette pressurisation peut aussi être réalisée par lots dans un système de silos. La cryo-condensation solide en continu peut elle-même être réalisée de plusieurs manières :
- Echangeur à surface raclée, les racleurs étant par exemple en forme de vis de manière à favoriser l'extraction du solide ; - Echangeur à lit fluidisé de manière à entraîner la neige carbonique et nettoyer les tubes par des particules par exemple de densité supérieure à celle de la neige carbonique ;
- Echangeur avec extraction de solide par vibrations, ultra-sons, effet pneumatique ou thermique (réchauffement intermittent de manière à la chute de la neige carbonique) ;
- Accumulation sur une surface lisse, avec une chute périodique « naturelle » dans un bac ;
- Cryo-condensation solide par lot (ou « batch » en anglais) : dans ce cas, plusieurs échangeurs en parallèle peuvent être utilisés alternativement. Puis ils sont isolés, pressurisés à une pression supérieure à celle du point triple du CO2, de manière à liquéfier le CO2 solide et éventuellement le vaporiser partiellement. Le fluide 46 est ensuite réchauffé dans l'échangeur 109. En sortie, le fluide 48 peut encore servir notamment à régénérer l'unité d'élimination de vapeur résiduelle 107 et/ou à produire de l'eau froide 36 par évaporation dans une tour à contact direct 1 15 où l'on introduit un fluide sec 50 qui va se saturer en eau en en vaporisant une partie. Eventuellement, l'eau froide peut subir un refroidissement supplémentaire dans un groupe frigorifique 119. Le solide 62 comprenant majoritairement du CO2 est transféré vers un bain de CO2 liquide 121.
Ce bain 121 doit être chauffé pour rester liquide, pour compenser l'apport de froid par le solide 62 (chaleur latente de fusion et chaleur sensible). Ceci peut être fait de différentes manières : - par échange de chaleur avec un fluide 72 plus chaud. Les frigories du fluide 74 peuvent être utilisées ailleurs dans le procédé,
- par échange direct, par exemple en prélevant dans le bain 121 un fluide 80, en le chauffant dans l'échangeur 109 et en le réinjectant dans le bain 121.
Du liquide 64 comprenant majoritairement du CO2 est prélevé du bain 121. Ce liquide est divisé en trois flux. Dans l'exemple, le premier est obtenu par une détente 65 à 5.5 bar absolu produisant un fluide diphasique, gaz-liquide, 66. Le second, 68, est obtenu par compression 67, par exemple à 10 bar. Le troisième, 70, est comprimé par exemple à 55 bar. Le niveau 5.5 bar apporte du froid à une température proche de celle du point triple du CO2. Le niveau à 10 bar permet le transfert de la chaleur latente de vaporisation du fluide 68 à environ -4O0C. Enfin, à 55 bar, le fluide 70 ne se vaporise pas durant l'échange 109. Ceci permet une bonne valorisation des frigories contenues dans le fluide 64 pendant l'échange 109 tout en limitant l'énergie nécessaire pour produire un flux de CO2 purifié et comprimé 5. Une partie du froid nécessaire au premier refroidissement 109 et au second refroidissement 111 est apportée par un cycle frigorifique 200 mettant en œuvre un fluide de travail 51 qui est de l'argon. Il comprend successivement : une compression 129, éventuellement deux compressions 56 et 57, un refroidissement par échange indirect 109, une détente quasi isentropique 131 qui induit un refroidissement, un réchauffement dans l'enceinte 111 , un réchauffement 109. Pendant le refroidissement 109, une partie du fluide de travail est prélevée, puis subit une détente quasi isentropique 130, puis un échange indirect 109 et enfin une compression 128 pour aller rejoindre la compression 129. Les détentes quasi isentropiques 130 et 131 fournissent un travail dont une partir sert pour les compressions 56 et 57. Ce cycle 200 produit du froid entre environ -100 et -12O0C pour la cryo-condensation
111 et entre environ 50C et -1000C pour palier le déficit de froid au cours de l'échange 109.
Une autre partie du froid nécessaire au premier refroidissement 109 est apportée par un cycle frigorigène supplémentaire 181 , 183, par exemple de type Rankine inversé.
Une autre partie du froid nécessaire au second refroidissement 111 est apportée par un cycle frigorigène supplémentaire 191 , 193 par exemple de type Rankine inversé.
Après l'échange indirect 109, les fluides primaires riches en CO2 66, 68, 70 sont comprimé de manière étagée 141 , 142, 143. Par exemple, les premiers étages compriment des flux gazeux. Si besoin est, le CO2 comprimé 75 est refroidi par un échangeur à contact indirect afin d'être liquide. Puis il est mélangé au flux 73. Ce mélange liquide est pompé jusqu'à la pression de transport (fluide 5). La pression de transport étant en général supercritique, on considérera par extension comme liquide les fluides supercritiques à une température inférieure à celle du point critique du CO2.
Sur les figures 2 à 7, qui représentent des exemples conformes à des modes de réalisation particuliers de l'invention, on n'a pas représenté les étapes qui concernent le fluide à traiter 40 avant son premier refroidissement 109, ni la compression des fluides primaires riches en CO2 après l'échange de chaleur 109. On a représenté uniquement ce qui change par rapport à la figure 1 et qui concerne essentiellement les cycles frigorifiques apportant du froid aux échanges 109 et 111.
La figure 2 illustre une variante de la détente quasi isentropique avec production de travail, où le fluide de travail est le gaz pauvre en CO2 44. Le procédé de cryo-condensation est le même que sur la figure 1. Seules les modifications sont détaillées ci-dessous.
Le gaz pauvre en CO2 44 est comprimé par exemple par un compresseur étage 315. En sortie, le fluide 303 est refroidi si nécessaire à la température d'entrée de l'échangeur 109 par l'échangeur 316. Il peut être à contact direct ou indirect.
Le gaz pauvre en CO2 comprimé 304 est refroidi dans l'échangeur 109 pour pouvoir être détendu dans la turbine 312 (détente quasi isentropique), afin de fournir une partie du froid nécessaire pour l'échange 111. Le fluide 307 sortant de l'échangeur 1 11 est à nouveau détendu (détente quasi isentropique) pour fournir du travail et du froid pour l'échangeur 111 via le fluide 308. Cette boucle de détente du gaz pauvre en CO2 peut être répétée au tant de fois que nécessaire.
Après l'échangeur 1 11 , le gaz pauvre en CO2 46 est réchauffé dans l'échangeur 109. Le fluide 48 sortant est traité comme le fluide 48 de la figure 1.
Une partie du froid nécessaire à l'échangeur 1 11 peut être apportée par un cycle frigorigène 191 , 193 de type Rankine.
La figure 3 illustre une autre variante de la détente quasi isentropique avec production de travail.
Le gaz pauvre en CO2 44 cède ces frigories dans les échangeurs 111 et 109. Il est ensuite comprimé par le compresseur 415 étage. Ensuite il est refroidi si nécessaire à la température d'entrée de l'échangeur 109 dans l'échangeur 416. Celui-ci peut être à contact direct ou indirect. Le gaz pauvre en CO2 404 est à nouveau refroidi dans l'échangeur 109 avant d'être détendu par la turbine 412. Cette turbine quasi isentropique produit le froid nécessaire pour compenser une partie du déficit de frigories de l'échangeur 111.
Ensuite, le fluide 407 est à nouveau détendu par la turbine quasi isentropique 414. Le fluide 408 cède ses frigories pour compenser une partie du déficit de frigories de l'échangeur 111. Cette boucle de détente du gaz pauvre en CO2 peut être répétée autant de fois que nécessaire.
Après l'échangeur 1 11 , le gaz pauvre en CO2 46 se réchauffe dans l'échangeur 109. Enfin, le fluide sortant 48 est traité comme le fluide 48 de la figure 1.
La figure 4 illustre une autre variante de la détente quasi isentropique avec production de travail.
Le fluide à traiter 40 est comprimé par le compresseur 512 qui peut être étage. Le gaz pauvre en CO2 est détendu dans une turbine quasi isentropique 514. La température du fluide 503 doit rester supérieure à la température de cryo-condensation du CO2.
Une partie du CO2 contenu dans le fluide 503 se condense alors dans l'enceinte 111. Le CO2 solide 62 est versé dans le bain liquide 121 et les étapes suivantes sont les mêmes que celles décrites dans la figure 1 (à partir du bain 121 et du flux 64). Le gaz pauvre en CO2 44 transmet ses frigories aux échangeurs 111 et 109. Le fluide sortant 48 est traité comme le fluide 48 de la figure 1.
La figure 5 illustre une autre variante de la détente quasi isentropique avec production de travail, dans laquelle le fluide de travail est le fluide à traiter.
On réalise une détente quasi isentropique avec production de travail du fluide 42 dans la turbine 612 afin de refroidir le fluide à une température en dessous de la température de cryo- condensation de CO2 et ainsi produire du CO2 solide, sous forme de neige carbonique, et un gaz appauvri en CO2 602.
Cette turbine de détente 612 doit être conçue avec beaucoup de soin. Elle doit être adaptée aux grands débits tels que ceux des fumées 40 d'une installation industrielle, avoir un très bon rendement isentropique, et résister à l'érosion éventuelle supplémentaire due à la présence de CO2 solide. Pour ce faire, on autorise la présence de neige carbonique dans la partie rotorique de la turbine (zone comprise entre le bord d'attaque 951 et le bord de fuite 954 sur les figures 14 et 15, et de l'interdire, ou de la minimiser, dans la partie statorique 960 en amont de la partie rotorique (zone comprise à l'amont du bord de fuite des aubages statoriques 950) de manière notamment à ne pas en éroder le bord d'attaque des aubages 952 de la partie rotorique. En d'autre terme, il est préférable que le CO2 soit à l'état vapeur ou vapeur sursaturée dans la partie statorique, ou qu'il présente des nuclei de neige carbonique suffisamment petits pour éviter l'érosion de la partie rotorique (inférieurs à 10 μm, de préférence 1 μm de diamètre hydraulique).
La turbine peut être radiale (centripète ou centrifuge). Elle peut être supersonique à onde de choc. Elle peut être axiale.
Cette dernière technologie est la mieux adaptée aux grands débits, mais elle nécessite de nombreux étages successifs statoriques et rotoriques. Pour éviter l'érosion, il sera préférable de séparer la neige carbonique en aval de chaque étage rotorique, avant l'entrée du fluide dans l'étage statorique suivant. Les deux premières technologies présentent l'avantage de rester efficaces pour des taux de détente élevés (supérieurs à 10), donc elles permettent d'éviter d'avoir à réaliser de multiples séparations.
Par ailleurs, d'autres précautions doivent de préférence être prises pour réaliser une telle turbine : minimiser la nucléation hétérogène (sur les surfaces statoriques et rotoriques), par exemple en chauffant certaines de ces surfaces ou en appliquant des revêtements spéciaux ; retarder la nucléation en éliminant les composés moins volatils que le CO2 (y compris les particules solides) avant d'entrer dans la turbine, de manière à ce qu'ils ne constituent pas des nuclei favorisant la nucléation du CO2 solide ; augmenter la résistance des surfaces à l'érosion par l'utilisation de métaux plus résistants, comme le titane ou par un revêtement spécial ou par un traitement de surface ; dans le cas de la turbine radiale centripète, il est préférable de faire circuler un gaz de balayage 953 dans le dos de roue 962. Ce gaz se mélange avec le gaz détendu à l'interface entre la partie statorique (aubages) et la partie rotorique (roue). Ainsi, on évite la formation et l'accumulation de solide en dos de roue. Puis on sépare cette neige carbonique du gaz appauvri en CO2 dans un séparateur
612 afin d'obtenir un solide comprenant majoritairement du CO2 62 et un gaz pauvre en CO2 44.
Cette séparation peut se faire en aval de la partie rotorique en utilisant la mise en rotation du fluide dans la partie rotorique ainsi que l'effet centrifuge pour séparer une fraction riche en CO2 en périphérie d'une fraction appauvri en CO2 au centre. Il peut aussi être intéressant de réaliser une mise en vitesse et donc une détente supplémentaire du fluide dans un convergent 956 (turbine dite de Laval). En diminuant la pression avant décélération du gaz, cela permet d'augmenter la quantité de CO2 solidifié. On récupère l'essentiel du gaz pauvre en CO2 au centre de l'écoulement 959 et l'essentiel du CO2 solide en périphérie 958 mélangé avec une fraction de gaz.
L'intérêt d'une turbine pour réaliser la cryo-condensation solide est d'arriver à générer beaucoup de CO2 solide dans un volume très restreint comparé à des systèmes à échange indirect.
Si nécessaire, un cycle frigorigène supplémentaire 191 , 193 de type Rankine ou comportant une détente quasi isentropique d'un fluide de travail avec ou sans production de travail apporte du froid au séparateur 612. Le solide comprenant majoritairement du CO2 62 est versé dans le bain liquide 121 et les étapes suivantes sont les mêmes que celles représentées à la figure
1.
On réchauffe gaz pauvre en CO2 44 par échange de chaleur avec le fluide à traiter dans l'échangeur 109. Puis on comprime le fluide 605 à une pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Enfin, le fluide sortant 48 est traité comme dans la figure 1.
La figure 6 illustre un mode de réalisation avec détente quasi isentropique sans production de travail. On refroidit toujours le fluide à traiter 42 en dessous de la température de cryo- condensation du CO2 dans l'enceinte 111 pour produire un gaz 701 pauvre en CO2 et refroidi. Il est également possible de placer cette enceinte après la partie « détente/Venturi » 702 du procédé, qui va maintenant être décrite.
Une partie du CO2 à capturer s'est solidifiée sous la forme d'un solide contentant majoritairement du CO2 62 et est extraite de l'enceinte 1 11. Pour améliorer la capture du CO2, le fluide 701 est mis en rotation autour d'un axe sensiblement parallèle au sens de son écoulement par un système d'ailettes fixes 717.
Le fluide 703 est détendu en sortie des ailettes et se refroidit en-dessous de la température de cryo-condensation du CO2 sans production de travail. La détente peut s'effectuer par l'effet Venturi en faisant passer le fluide dans une restriction 718. Des particules solides comprenant majoritairement du CO2 se forment et sont récupérées en périphérie de l'écoulement grâce à l'effet centrifuge induit par la rotation du fluide.
On récupère un mélange 705 de solide comprenant majoritairement du CO2 et du gaz.
Les incondensables 44, 46 sortants cèdent leurs frigories dans les échangeurs 111 et 109. Le flux 705 est composé majoritairement de solide, cependant il peut être nécessaire de séparer le gaz résiduel du solide dans un pot séparateur 731. La partie incondensable cède ensuite ses frigories dans les échangeurs 11 1 et 109. Le solide comprenant majoritairement du CO2 62 est versé dans le bain liquide 121 et subit les mêmes étapes que celles décrites dans la figure 1.
Les flux 48 sont utilisés pour refroidir l'eau, de la même manière que le flux 50 de la figure 1.
La figure 7 illustre un autre mode de réalisation avec détente quasi isentropique sans production de travail.
Le fluide à traiter 40 est sous pression, par exemple jusqu'à 60 bar (compression réalisée par le compresseur 101 ou par un compresseur supplémentaire). Il est éventuellement plus concentré en CO2 que dans les autres exemples, typiquement entre 50 et 90% en volume.
L'échange 809 comporte les mêmes caractéristiques que l'échange 109 de la figure 1. L'échangeur 811 refroidit le fluide à traiter 42 à une température inférieure à la température de liquéfaction du CO2. Il en sort un fluide à traiter refroidi 801 qui est envoyé à un pot séparateur 812. Un liquide riche en CO2 816 est extrait par le séparateur 812. Le fluide résiduel 802 est mis en rotation autour d'un axe sensiblement parallèle au sens de son écoulement par un système d'ailettes fixes 817. Il est détendu en sortie 803 des ailettes après sa mise en rotation et se refroidit en-dessous de la température de cryo-condensation du CO2 sans production de travail. La détente peut s'effectuer par effet Venturi en faisant passer le fluide dans une restriction 818.
Des particules solides comprenant majoritairement du CO2 se forment et sont récupérées en périphérie de l'écoulement grâce à l'effet centrifuge induit par la rotation du fluide. Le flux 805 est composé majoritairement de solide, cependant il peut être nécessaire de séparer le gaz résiduel du solide dans un pot séparateur 841. Les incondensables 44 cèdent leurs frigories dans les échangeurs 811 et 809.
Pour améliorer le taux de capture du CO2, on peut ajouter une deuxième (voire une troisième, ou plus) étape de détente quasi isentropique du fluide 806 avec effet Venturi. Cette étape est identique à la précédente : on met rotation le fluide 806 autour d'un axe sensiblement parallèle au sens de son écoulement par un système d'ailettes fixes 807 ; après sa mise en rotation, on détend le fluide en sortie des ailettes 808 pour le refroidir en- dessous de la température de cryo-condensation du CO2 sans production de travail. La détente peut s'effectuer par l'effet Venturi en faisant passer le fluide dans une restriction 822.
Le solide 62 comprenant majoritairement du CO2 récupéré en sortie des pots séparateurs 841 et éventuellement 851 est versé dans le bain liquide 121 et traité comme dans la figure 1. Les flux 48 sont utilisés pour refroidir l'eau, de la même manière que le flux 50 de la figure 1. La figure 8 représente une installation de production d'électricité sur base charbon, mettant en œuvre différentes unités d'épuration 4, 5, 6 et 7 des fumées 19.
Un débit d'air primaire 15 passe par l'unité 3 où le charbon 15 est pulvérisé et entraîné vers les brûleurs de la chaudière 1. Un débit d'air secondaire 16 est fourni directement aux brûleurs afin d'apporter un complément d'oxygène nécessaire pour une combustion quasi-complète du charbon. De l'eau d'alimentation 17 est envoyée à la chaudière 1 pour produire de la vapeur 18 qui est détendue dans une turbine 8.
Les fumées 19 issues de la combustion, comprenant de l'azote, du CO2, de la vapeur d'eau et d'autres impuretés, subissent plusieurs traitements pour enlever certaines desdites impuretés. L'unité 4 enlève les NOx par exemple par catalyse en présence d'ammoniac. L'unité 5 enlève les poussières par exemple par filtre électrostatique et l'unité 6 est un système de désulfurisation pour enlever le SO2 et/ou le SO3. Les unités 4 et 6 peuvent être superflues selon la composition du produit requis. Le débit purifié 24 provenant de l'unité 6 (ou 5 si 6 n'est pas présent) est envoyé à une unité de purification à basse température 7 par cryo-condensation pour produire un débit de CO2 relativement pur 26 et un débit résiduaire 25 enrichi en azote. Cette unité 7 est aussi appelée unité de capture de CO2 et met en œuvre le procédé objet de l'invention, tel qu'illustré, par exemple, par les figures 1 à 7.
La figure 9 représente une installation de production d'électricité sur base charbon, mettant en œuvre différentes unités d'épuration 5 et 7 des fumées 19.
Un débit d'air primaire 15 passe par l'unité 3, où le charbon 15 est pulvérisé et entraîné vers les brûleurs de la chaudière 1. Un débit de comburant secondaire 16 est fourni directement aux brûleurs afin d'apporter un complément d'oxygène nécessaire pour une combustion quasi-complète du charbon. Ce comburant secondaire résulte du mélange de fumées recirculées 94 à l'aide d'un ventilateur 91 et d'oxygène 90 produit par une unité de séparation des gaz de l'air 10. De l'eau d'alimentation 17 est envoyée à la chaudière 1 pour produire de la vapeur 18, qui est détendue dans une turbine 8.
Les fumées 19 issues de la combustion du charbon, comprenant de l'azote, du CO2, de la vapeur d'eau et d'autres impuretés, subissent plusieurs traitements pour enlever certaines desdites impuretés. L'unité 5 (ESP) enlève les poussières, par exemple grâce à un filtre électrostatique. Le débit dépoussiéré 24 provenant de l'unité 5 est envoyé à une unité 7 de purification à basse température, par cryo-condensation, pour produire un débit de CO2 relativement pur 26 et un débit résiduaire 25 enrichi en azote. Cette unité 7 est aussi appelée unité de capture de CO2 et met en œuvre le procédé objet de l'invention, tel qu'illustré, par exemple, par les figures 1 à 7.
Dans ce cas, on utilise la présence d'une unité de séparation des gaz de l'air pour fournir du froid à bas niveau pour la cryo-condensation solide du CO2 dans l'unité 7 et réaliser une cryo- condensation, de préférence par échange direct avec le gaz à traiter. Le fluide 93 peut être sous forme liquide, gazeuse ou diphasique et est constitué d'un mélange de gaz de l'air refroidis. Par exemple, il peut s'agir d'air ou d'azote gazeux froid (entre -560C et -1960C), ou encore d'air ou d'azote liquide. Il est destiné à être introduit dans l'enceinte référencée 1 11 sur les figures 1 à 4 et sur la figure 6, 612 sur la figure 5, 731 sur la figure 6 et enfin 841 , 851 sur la figure 7. L'unité 7 peut également produire un fluide 92 qui sera utilisé dans l'unité de séparation des gaz de l'air. Il peut par exemple s'agir d'une fraction du gaz pauvre en sortie de l'enceinte 11 1 des figures 1 à 4 et 6, 612 de la figure 5, 731 de la figure 7 et 841 , 851 de la figure 8. Ce gaz pauvre, en quelque sorte, restitue du froid à l'unité 10 à un niveau de température supérieur à celui apporté depuis l'unité 10 par le fluide 93. II est avantageux de faire varier dans le temps le débit de cette injection de fluide 93. Par exemple, on peut produire et stocker l'azote liquide la nuit, lorsque l'énergie est disponible et bon marché et injecter l'azote liquide le jour de manière à diminuer l'énergie consommée. On dissocie le moment ou le froid est produit par l'unité 10 (par exemple azote liquide) et celui où il est utilisé dans l'unité 7. Dans ce cas, la détente quasi isentropique d'un gaz peut être réalisée dans l'unité 10 plutôt que dans l'unité 7.
Ce schéma peut se révéler bien adapté à des cas de modification d'usines existantes, où le remplacement de l'air primaire envoyé aux pulvériseurs de charbon par un mélange fumées recyclées plus oxygène peut se révéler complexe, d'une part à cause de l'augmentation de la teneur en eau, les fumées en contenant beaucoup plus que l'air humide, d'autre part pour des raisons de sécurité, même si cela ne doit pas être surestimé.
Par ailleurs, il peut se révéler intéressant de combiner les unités 7 et 10 en une seule, notamment en réalisant un (ou plusieurs) échange(s) de chaleur entre des fluides des 2 unités.
La figure 10 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation sidérurgique. Une unité de séparation des gaz de l'air 10 fourni de l'oxygène 90 à un haut-fourneau 900 dans lequel on introduit par ailleurs du minerai de fer 901 et des produits carbonés 902 (charbon et coke). Le haut-fourneau fonctionne dans ce cas-là en présence de très peu d'azote.
Les gaz de haut-fourneaux 903 composés par exemple de 47% de CO, 36% de CO2, 8% de N2 et 9% d'autres composés comme H2 et H2O peuvent être divisés en deux. La majeure partie 905 va à l'unité de capture du CO2, une autre partie 904 sert à déconcentrer la teneur en azote dans la boucle. Le fluide 905 est préalablement refroidi dans un échangeur à contact direct 906, dépoussiéré dans le filtre 103, puis comprimé par un compresseur 901 , refroidi dans un échangeur 105 et séché dans un sécheur 107, avant d'entrer dans l'échangeur à basse température 109, où il va être refroidi puis partiellement liquéfié à une température proche du point triple du CO2 sans formation de solide. Le fluide diphasique gaz-liquide 912 obtenu est séparé en une fraction gazeuse 502 et une fraction liquide 920 dans le séparateur 928. La fraction gazeuse 502 est ensuite refroidie par une détente quasi isentropique, par exemple dans une turbine 514, de manière à obtenir un fluide diphasique gaz-solide 503. Celui-ci est séparé dans l'enceinte 1 11 en une fraction gazeuse 44 et une fraction solide 62 riche en CO2. La fraction solide 62 est comprimée par exemple par une vis sans fin et mélangée au liquide 920 dans le bain 121 , lequel est chauffé par du gaz 72 produit par la vaporisation du liquide 74 dans l'échangeur 109. Le CO2 liquide 64 est comprimé par une pompe 69 de manière à obtenir un liquide pressurisé 70 et réchauffé dans l'échangeur 109 sans subir de vaporisation, ou de pseudo-vaporisation si la pression est supérieure à la pression supercritique. Le gaz pauvre est successivement réchauffé par un compresseur 315 et par l'échangeur 109.
L'invention peut aussi être adaptée pour des types de haut-fourneau fonctionnant à l'air enrichi, par exemple en ajoutant une séparation CO/N2 par distillation cryogénique, en refroidissant le gaz 44 à la température nécessaire.
La figure 11 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation de production de gaz de synthèse à partir d'un procédé à l'oxygène (oxydation partielle, gazéification, réformeur auto-thermique, etc.). Une unité de séparation des gaz de l'air 10 fournit de l'oxygène 90 à un réacteur 900 dans lequel on introduit un produit carboné 902 (charbon, gaz naturel, biomasse, ordures ménagères, etc.).
Les gaz de synthèse 903 comprend principalement les composés CO, CO2, H2 et H2O. Le CO peut être converti (réaction dite de shift) en CO2 et H2 en présence de vapeur d'eau : CO + H2O <-> CO2 + H2. Le fluide 905 peut éventuellement être dépoussiéré dans un filtre 103, puis comprimé par un compresseur 101 , refroidi dans un échangeur 105 et séché dans un sécheur 107, avant d'entrer dans l'échangeur à basse température 109, où il peut être partiellement liquéfié à une température proche de celle du point triple du CO2. Ce fluide diphasique gaz-liquide 912 est séparé en une fraction gazeuse 502 et une fraction liquide 920 dans le séparateur 928. La fraction gazeuse 502 est ensuite refroidie par une détente quasi-isentropique, par exemple dans une turbine 514, de manière à obtenir un flux diphasique gaz-solide 503. Celui-ci est séparé en une fraction gazeuse 44 et une fraction solide riche en CO2 62 dans l'enceinte 111. La fraction solide 62 est mélangée au liquide 920 dans le bain 121 , lequel est chauffé par du gaz 74 produit par la vaporisation du liquide 72 dans l'échangeur 109. Le CO2 liquide 64 est comprimé par une pompe et réchauffé dans l'échangeur 109 sans subir de vaporisation, ou de pseudo-vaporisation si la pression est supérieure à la pression supercritique. Le gaz pauvre 44 est successivement réchauffé par un compresseur 924 et l'échangeur 109. Ce gaz pauvre constitué essentiellement d'hydrogène peut être envoyé à une turbine à gaz pour réaliser une combustion sans émission de CO2. L'unité 10 peut fournir de l'azote chaud 90a, que l'on introduira en aval des sécheurs 910, et/ou de l'azote froid 90b, introduit directement dans l'enceinte 111 pour augmenter la quantité de CO2 capturé. Dans le premier cas, la détente dans la turbine 514 de l'azote chaud présent dans le flux 502 fournit du froid additionnel pour la cryo-condensation solide du CO2 dans la turbine 514 ; dans le deuxième cas, l'azote froid 90b, en se réchauffant au contact du fluide 503, engendre la cryo-condensation solide du CO2. L'autre intérêt de l'azote chaud 90a est d'augmenter le poids moléculaire du gaz 502, ce qui peut être intéressant pour diminuer le coût de la détente 514 et/ou de la compression 924. En effet, lorsque ces gaz sont très riches en hydrogène, il n'est pas aisé de comprimer/détendre ces gaz avec les technologies les mieux adaptées à de grands débits à savoir des technologies de type axiales, radiales ou supersonique à onde de chocs. Il est alors nécessaire d'utiliser des technologies de type volumétriques par exemple à piston ou à vis très coûteuses à mettre en œuvre.
La figure 12 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention dans une installation de production de gaz de synthèse à partir d'un reformage à la vapeur. On introduit par un produit carboné 902 (gaz naturel, méthanol, naphta, etc.) dans un réacteur 900.
Les gaz de synthèse 903 produit dans le réacteur 900 comprend principalement les composés CO, CO2, H2 et H2O. Le fluide 905 peut éventuellement être comprimé par un compresseur 101 , refroidi dans un échangeur 105 et séché dans un sécheur 107, avant d'entrer dans un échangeur à basse température 109, où il peut être partiellement liquéfié à une température proche de celle du point triple du CO2. Le fluide diphasique gaz-liquide 912 obtenu est séparé en une fraction gazeuse 502 et une fraction liquide 920 dans le séparateur 928. La fraction gazeuse 502 est ensuite refroidie par une détente quasi-isentropique, par exemple dans une turbine 514, de manière à obtenir un diphasique gaz-solide 503. Celui-ci est séparé en une fraction gazeuse 44 et une fraction solide riche en CO2 62 dans l'enceinte 111. La fraction solide 62 est mélangée au liquide 920 dans le bain 121 , lequel est chauffé par du gaz 74 produit par la vaporisation du liquide 72 dans l'échangeur 109. Le CO2 liquide 64 est comprimé par une pompe et réchauffé dans l'échangeur 109 sans subir de vaporisation, ou de pseudo-vaporisation si la pression est supérieure à la pression supercritique. Le gaz pauvre 44 peut alors être purifié en CO2 à basse température par exemple par adsorption avec un tamis moléculaire 13X avant d'être introduit dans une unité cryogénique 924 pour la production de CO. Celle-ci fonctionne par exemple par lavage au méthane ou par condensation partielle du CO. Cette unité 924 produit un gaz enrichi en hydrogène 929 et un gaz enrichi en CO 925. Un fluide ou plusieurs fluide de cette unité peuvent être comprimés à basse température, puis réintroduits dans l'échangeur de chaleur 926. Dans ce cas, la cryo-condensation solide remplace une élimination du CO2 par absorption avec des aminés (MDEA ou MEA). Si l'on désire produire de l'hydrogène pur, il est possible d'ajouter un PSA H2 dans ce schéma soit en amont de cette purification par cryo- condensation solide c'est-à-dire en sortie du réformeur 900 après refroidissement du gaz de synthèse, soit sur le gaz riche en H2 929. On pourrait penser que ces procédés de cryo-condensation solide sont en déficit de froid. En fait, il n'en est rien. Au contraire, ces procédés de cryo-condensation solide avec détente quasi isentropique du gaz à traiter produisent trop de froid, surtout si le procédé fournit en outre un travail extérieur. Le problème est alors que les fluides riches en CO2 et le gaz pauvre en CO2 sortent à basse température, ce qui constitue une perte énergétique conséquente. Pour minimiser la consommation énergétique de ce procédé, on peut réaliser une ou plusieurs des opérations suivantes : en interne : o compression froide d'un des fluides du procédé de cryo-condensation :
• gaz à traiter que l'on refroidit à basse température avant compression ; - gaz pauvre en CO2 que l'on comprime à basse température (cf. figure 2). On peut soit le détendre à nouveau ou le comprimer sous vide pour le ramener à la pression atmosphérique, ou encore le détendre après l'avoir chauffé dans la partie chaude du procédé ayant produit le gaz à traiter ; o cryo-condensation solide indirecte dans un échangeur ; en externe : o compression froide d'un fluide quelconque de l'installation ; o production d'azote liquide et/ou d'air liquide ; o cycle de Rankine transcritique sur le CO2 .
La figure 13 représente schématiquement l'utilisation d'un procédé conforme à l'invention mettant en oeuvre un cycle de Rankine transcritique sur le CO2. Il inclut aussi les caractéristiques d'un procédé où l'on réalise successivement une cryo-condensation liquide, puis une cryo- condensation solide et où l'on améliore la pureté du CO2 produit par deux colonnes à distiller, une pour éliminer les composants moins volatils que le CO2 (NO2 ou N2O4, SO2, ...) et une autre pour éliminer les composants plus volatils.
Le fluide 24 est constitué de fumées et peut être à une température de l'ordre de 15O0C est injecté dans un filtre 103 pour éliminer les particules jusqu'à un niveau de concentration inférieur à 1 mg/m3, de préférence inférieur à 100 μg/m3.
Le fluide dépoussiéré 30 est refroidi à une température proche de O0C, en général entre O0C et 1O0C, de manière à condenser la vapeur d'eau qu'il contient. Ce refroidissement est réalisé dans une tour 105b, avec injection d'eau à deux niveaux, eau froide 36b et eau à température proche de la température humide de l'air ambiant 34b. On peut aussi envisager un contact indirect. La tour 105 peut avoir ou non des garnissages. Cette tour peut aussi servir de tour de lavage du SO2.
En sortie de cette première tour, le fluide éventuellement désaturé est comprimé à une pression entre 5 et 50 bar abs dans le compresseur 101. Le fluide 32 est refroidi à une température proche de O0C, en général entre O0C et 1O0C, de manière à condenser la vapeur d'eau qu'il contient. Ce refroidissement est réalisé dans une tour 105, avec injection d'eau à deux niveaux, eau froide 36 et eau à température proche de la température humide de l'air ambiant 34. On peut aussi envisager un contact indirect. La tour 105 peut avoir ou non des garnissages.
Le fluide 38 est envoyé dans une unité d'élimination de la vapeur d'eau résiduelle 107, utilisant par exemple l'un et/ou l'autre des procédés suivants : Adsorption sur lits fixes, lits fluidisés et/ou sécheur rotatif, l'adsorbant pouvant être de l'alumine activée, du gel de silice ou un tamis moléculaire (3A, 4A, 5A, 13X, ...) ; Condensation dans un échangeur à contact direct ou indirect.
Le fluide à traiter 40 est refroidi, puis mis en contact dans une colonne à distiller 79 avec du CO2 pur, de manière à récupérer les composés moins volatils que le CO2 sous la forme d'un liquide contenant du CO2 et par exemple du NO2 (ou son dimère N2O4). Ce liquide peut être pompé et vaporisé dans l'unité 78, puis envoyé, soit dans une chambre de combustion pour réduire le NO2, soit dans l'unité de purification du flux 30 par lavage à basse pression du SO2, pour y servir de réactif, soit directement sous forme de NO2, soit sous forme d'acide nitrique après réaction avec de l'eau.
Le fluide à traiter 74a est ensuite refroidi et partiellement condensé sous forme liquide et envoyé dans le séparateur 76. La fraction liquide 76a est envoyée au bain 121. La fraction gazeuse 76b est envoyée à une turbine de détente de manière à y produire un flux diphasique gaz-solide 42 qui est envoyé dans l'enceinte 111 pour y être séparé entre un gaz pauvre en CO2 44 et du CO2 solide 62. Un fluide auxiliaire 93 par exemple en provenance d'une unité de séparation des gaz de l'air peut éventuellement fournir du froid additionnel pour la cryo-condensation solide. Dans ce cas, il peut être intéressant de prélever sur le gaz pauvre en CO2 44 un fluide 92 qui retourne à l'unité qui a fourni le fluide 93. Le solide 62 est comprimé par exemple par une vis sans fin et injecté dans le bain de CO2 liquide 121 , dans le quel on prélève un liquide 64. Ce liquide peut éventuellement être pompé et introduit dans une colonne à distiller 75 pour en éliminer les composés plus volatils que le CO2. Le liquide pur 68 est réchauffé sans subir de vaporisation, ou de pseudo-vaporisation s'il est supercritique. Il peut être à nouveau pompé pour obtenir le fluide 5 prêt au transport. Une partie du fluide 5 peut être prélevée pour être vaporisée, ou pseudo-vaporisée, dans une unité 72. Cette unité 72 est par exemple une source quelconque de chaleur de l'installation produisant le fluide à traiter. Cette partie du fluide 80 est ensuite détendue dans une turbine 73 servant à produire de l'électricité ou de la puissance mécanique, puis refroidie dans l'échangeur 109 et condensée par échange direct dans le bain 121 , tout en réalisant la fusion du CO2 solide.
En sortie de l'échangeur 109, le fluide 48 peut encore servir notamment à régénérer l'unité d'élimination de vapeur résiduelle 107 et/ou à produire de l'eau froide 36a par évaporation dans une tour à contact direct 115 où l'on introduit un fluide sec 50 qui va se saturer en eau en en vaporisant une partie. Eventuellement, l'eau froide peut subir un refroidissement supplémentaire dans un groupe frigorifique 1 19. Ensuite, cette eau froide peut être utilisée dans l'un et/ou l'autre des tours 105 et 105b de manière à refroidir le gaz à traiter avant et/ou après compression.
Les Figures 14 et 15 représentent une turbine pour réaliser une détente quasi isentropique du fluide à traiter avec production de travail extérieur conforme à l'invention. La partie statorique amont 960 commence par la volute (non représentée) puis par des aubages 950 qui peuvent être fixes ou variables. On rentre ensuite dans la partie rotorique 960 qui comprend par exemple des ailettes 952 avec un bord d'attaque 951 où commence la partie rotorique 960 et un bord de fuite 954 où elle s'achève.
En aval de la partie rotorique, si l'on ne désire pas utiliser la force centrifuge sur les parties solide, la partie rotorique peut être constituée d'un simple cône de décélération. Si l'on veut utiliser la partie statorique aval 961 pour réaliser une première séparation, on peut utiliser la mise en rotation du fluide dans la partie rotorique ainsi que l'effet centrifuge pour séparer une fraction riche en CO2 en périphérie d'une fraction appauvri en CO2 au centre. Il peut aussi être intéressant de réaliser une mise en vitesse et donc une détente supplémentaire du fluide dans un convergent 956 (turbine dite « de Laval »). En diminuant la pression avant décélération du gaz, cela permet d'augmenter la quantité de CO2 solidifié. On récupère l'essentiel du gaz pauvre en CO2 au centre de l'écoulement 959 et l'essentiel du CO2 solide en périphérie 958 mélangé avec une fraction de gaz.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'au moins un gaz pauvre en CO2 (44) et d'un ou plusieurs fluides primaires riches en CO2 (66, 68, 70) à partir d'un fluide à traiter (40) comprenant du CO2 et au moins un composé plus volatil que le CO2, mettant en œuvre : a) un premier refroidissement (109) dudit fluide à traiter (40) par échange de chaleur sans changement d'état ; b) un second refroidissement (111 ) d'au moins une partie dudit fluide à traiter (42) refroidi à l'étape a) de manière à obtenir au moins un solide (62) comprenant majoritairement du CO2 et au moins ledit gaz pauvre en CO2 (44) ; et c) une étape comprenant la liquéfaction et/ou la sublimation d'au moins une partie dudit solide (62) et permettant d'obtenir lesdits un ou plusieurs fluides primaires riches en CO2 (66, 68, 70) ; ledit procédé étant caractérisé en ce que l'étape b) est réalisée dans au moins une turbine (612, 71 , 514) de détente, ledit solide (62) se formant à l'intérieur de ladite turbine (612, 71 , 514).
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit solide (62) est sous forme de neige carbonique.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite turbine (612, 71 , 514) de détente comprend au moins une partie rotorique (962) et une au moins une partie statorique (960) située en amont de ladite partie rotorique (962) et que l'étape b) est réalisée dans ladite partie rotorique (962).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit fluide à traiter (40) comprenant du CO2 et au moins un composé plus volatil que le CO2 reste à l'état vapeur dans ladite partie statorique (960).
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit fluide à traiter (40) est à l'état vapeur sursaturée dans ladite partie statorique (960) située en amont de ladite partie rotorique (962).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'il comprend en outre, postérieurement à l'étape b), une étape b1 ) où l'on sépare ledit solide (62) comprenant majoritairement du CO2 et ledit gaz pauvre en CO2 (44) obtenus à l'étape b) en au moins une fraction riche en CO2 (958) et une fraction pauvre en CO2 (959), ladite étape b1 ) étant réalisée dans une zone (961 ) située en aval de ladite partie rotorique (962).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, à l'étape b), on imprime un mouvement de rotation audit solide (62) comprenant majoritairement du CO2 et audit gaz pauvre en CO2 (44) et que, à l'étape b>1 ), la séparation dudit solide (62) comprenant majoritairement du CO2 dudit gaz pauvre en CO2 (44) obtenus à l'étape b) comprend une séparation par un effet centrifuge induit par le mouvement de rotation imprimé, à l'étape b), audit solide (62) comprenant majoritairement du CO2.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on chauffe certaines parties de ladite turbine (612, 71 , 514).
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite turbine (612, 71 , 514) comprend des surfaces polies et/ou revêtues d'un matériau donné destinées à limiter la nucléation hétérogène dudit solide (62) comprenant majoritairement du CO2 sur lesdites surfaces et/ou sur ledit matériau de revêtement.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit fluide à traiter (40) comprend des composés moins volatils que le CO2 et que ledit procédé comprend, préalablement à l'étape b), une ou plusieurs étapes de purification dudit fluide à traiter (40) desdits composés moins volatils.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ladite turbine (612, 71 , 514) comprend du titane.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisé en ce qu'on injecte un gaz de balayage (953) dans ladite turbine (612, 71 , 514), ledit gaz de balayage (953) entrant en contact avec ledit fluide à traiter (40).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite turbine (612, 71 , 514) a un degré de réaction supérieur e 50 %.
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