WO2025196019A1 - Method and facility for capturing co2 contained in a combustion gas - Google Patents
Method and facility for capturing co2 contained in a combustion gasInfo
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- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Definitions
- the present invention relates to a method and an installation for capturing CO2 contained in a combustion gas.
- Gases containing acidic compounds such as CO2 and/or H2S are usually treated by absorption, by a process in which the gases are brought into contact with an absorbent solution which retains the acidic compounds by simple physical dissolution and/or by dissolution after formation of a salt or a thermally unstable complex, by reaction of said acidic compounds with a basic compound present in the absorbent solution.
- the absorbent solution loaded with acidic compounds is then regenerated in a regeneration zone (a stripper) in which it is kept boiling under pressure.
- the heat necessary to maintain this boiling is provided by reboiling the absorbent solution, that is to say by indirect heat exchange between a part of the solution to be regenerated and a hot fluid at an appropriate temperature, generally saturated water vapor.
- MVR mechanical vapor recompression
- [011] - a step of regenerating the absorbent solution enriched in CO2 during which the CO2 it contains is released by heating the solution by means of at least one reboiler supplied with low pressure steam, in particular at a pressure of 0.1 to 1.2 MPa, preferably of 0.4 to 0.6 MPa,
- [012] - a step of compressing the CO2 released during the regeneration step by means of at least one compressor.
- part of the heat from the supplied combustion gases is recovered by a heat pump upstream of the separation step and said heat pump distributes heat used (i) to preheat water entering a boiler producing steam supplying the at least one reboiler, (ii) to produce part of the water vapor supplying the at least one reboiler or (iii) to heat the absorbent solution to be regenerated in the regeneration step.
- the present invention thus consists in recovering the heat from the combustion gases by means of a heat pump and reusing this thermal energy in the process.
- a heat pump By using a heat pump, non-recoverable thermal energy is transformed into useful thermal energy for the process.
- For one unit of mechanical energy supplied to the compressor of the heat pump several units of useful thermal energy can be produced.
- the energy efficiency and the CO2 footprint of the process according to the invention are improved.
- the method according to the invention can use one or more heat pumps recovering the heat from the combustion gases and distributing it to one or more points, in particular to implement the different embodiments described below.
- the low pressure steam entering the at least one reboiler is heated and condenses as it passes through the at least one reboiler. Thus, at the outlet of the latter, condensed steam is recovered.
- the steam supplying the at least one reboiler can advantageously circulate in a closed circuit passing through the boiler to receive calories from the latter, passing through the at least one reboiler to transfer calories to the absorbent solution, and optionally the closed circuit comprises at least one turbine driving the at least one compressor of the compression stage or driving at least one compressor of the heat pump.
- the water entering the boiler can be condensed steam leaving the at least one reboiler.
- the boiler used to produce steam supplying the at least one reboiler can produce low pressure steam, in particular at an absolute pressure of 0.2 to 1.2 MPa (1-10 bar gauge), preferably 0.4 to 0.6 MPa (3-5 bar gauge). This low pressure steam can then be sent directly to the at least one reboiler.
- this boiler can produce steam at a so-called "high pressure" higher than the low pressure, for example at an absolute pressure of 2 to 13.5 MPa (20-135 bar gauge), preferably 4 to 9 MPa (40 - 90 bar gauge).
- the high-pressure steam produced by the boiler can advantageously supply at least one turbine driving the at least one compressor of the compression stage and/or driving at least one compressor of the heat pump, and the low-pressure steam leaving the at least one turbine can then supply the at least one reboiler.
- the high-pressure steam leaving the boiler can be distributed between several turbines or supply a single turbine.
- the heat pump can produce heat transferred, in particular via a heat distribution section, to the water entering the boiler, and: the heat pump comprises at least one compressor driven by at least one turbine, and said heat pump turbine is driven by a portion of the high pressure steam produced by the boiler and the low pressure steam leaving the heat pump turbine feeds the at least one reboiler.
- the heat pump may recover at least a portion of the heat from the combustion gases supplied by heat transfer via a heat recovery section in which said combustion gases circulate. This embodiment may advantageously be implemented upstream of any cooling step.
- the heat pump can recover at least a portion of the heat from the combustion gases supplied by heat transfer via a heat recovery section in which circulates a hot fluid having received by heat transfer at least a portion of the heat from the combustion gases.
- this hot fluid circulates in a closed cooling circuit receiving the heat from the combustion gases by heat transfer, for example via a direct or indirect heat exchanger.
- This embodiment can also advantageously be implemented upstream of any cooling step.
- the method may comprise, upstream of the separation step with respect to the circulation of the gases: a step of cooling the combustion gases supplied, this cooling step being implemented in a cooling system in which the combustion gases supplied are cooled by a fluid (for example via a direct contact exchanger).
- the heat pump can recover part of the heat from the combustion gases supplied by heat transfer via a heat recovery section in which the fluid heated by the combustion gases during the cooling stage circulates.
- the combustion gases supplied to be cooled circulate from bottom to top in the cooling system.
- the latter can advantageously be a gas-liquid contactor with one or more cooling stages.
- the cooling fluid is water and circulates in a closed circuit.
- the method comprises a second cooling step implemented after this first cooling step and before the separation step.
- This second cooling step is then implemented in a second cooling system in which the supplied combustion gases are further cooled by a fluid.
- This second cooling step may be a quenching step.
- the fluid leaving the second cooling step is at a lower temperature than that of the fluid leaving the first cooling step.
- the method may comprise a single cooling step implemented in a single cooling system and the single The cooling system may comprise at least two cooling stages, the combustion gases passing through the lowest cooling stage being cooled by a fluid circuit independent of at least one other fluid circuit cooling the at least one other cooling stage.
- the heat pump may then recover part of the heat from the combustion gases by heat transfer, via a heat recovery section in which the fluid heated by the combustion gas from the lowest cooling stage circulates.
- the combustion gases supplied during the supply step may be combustion gases chosen from: the combustion gases of a gas turbine, in particular of a gas turbine of a natural gas liquefaction unit and/or of a combined cycle gas turbine, and/or, the combustion gases of a combustion boiler, in particular of the boiler producing the steam for the regeneration step,
- the invention also relates to an installation for capturing CO2 present in combustion gases, in particular adapted to implement the method according to the invention.
- the installation comprises:
- a supply line for combustion gases containing CO2 to be separated a separation unit connected to the supply line in which the supplied combustion gases are brought into contact with an absorbent solution, this unit producing CO2-depleted combustion gases and a CO2-enriched absorbent solution, a regeneration unit connected to the separation unit and receiving the CO2-enriched absorbent solution, in which the CO2 contained in the absorbent solution is released by heating the solution by means of at least one reboiler supplied with low-pressure water vapor, a CO2 compression unit connected to the regeneration unit and receiving the released CO2, and comprising at least one compressor.
- the installation may comprise two or more heat pumps recovering heat from the combustion gases and distributing it to one or more points in the installation, in particular to implement the different embodiments described below.
- the installation may comprise at least one turbine driving the at least one compressor of the compression unit and/or driving at least one compressor of the heat pump, and the at least one turbine is supplied with high pressure steam produced by the boiler via a pipe connected to an outlet of the boiler and a pipe connects an outlet of the at least one turbine to an inlet of the at least one reboiler to supply it with low pressure steam.
- the installation may include one of the following features:
- the installation may in particular include one of the following characteristics:
- a single cooling system comprising at least two cooling stages, a first cooling fluid circuit of the lowest cooling stage, and at least one other cooling fluid circuit the at least one other cooling stage independent of the first circuit, the heat recovery section of the heat pump being connected to the first cooling fluid circuit, a first cooling system comprising a first cooling fluid circuit, optionally mounted upstream of a second cooling system comprising a second cooling fluid circuit, said(s) cooling system(s) being located upstream of the separation unit with respect to the gas circulation, and the heat recovery section of the heat pump is connected to the first cooling fluid circuit.
- the installation may comprise at least one combustion gas supply pipe connected to the exhaust of a gas turbine and/or to a combustion boiler and/or to any other combustion gas production unit, such as an industrial combustion furnace, in particular a refining unit.
- low pressure steam also noted BP
- steam at an absolute pressure of 0.1 to 1.2 MPa.
- medium pressure steam also noted MP
- steam at an absolute pressure of 0.8 to 3 MPA is meant steam at an absolute pressure of 0.8 to 3 MPA.
- high pressure steam also noted HP, is meant steam at a pressure higher than a “low pressure”, for example at an absolute pressure of 2 to 13.5 MPA.
- FIG.1 schematically represents a CO2 capture installation combining several embodiments of the invention.
- FIG. 2 schematically represents a CO2 capture installation according to the prior art.
- FIG. 3 schematically represents a CO2 capture installation according to a first embodiment of the invention.
- FIG. 4 schematically represents a CO2 capture installation according to a second first embodiment of the invention.
- FIG. 5 schematically represents a CO2 capture installation according to a third first embodiment of the invention.
- FIG. 6 schematically represents a CO2 capture installation according to a fourth embodiment of the invention.
- Figure 1 schematically represents a CO2 capture installation 1 comprising a combustion gas supply pipe 10, a CO2 capture unit 20, a captured CO2 compression unit 30 and a boiler 40. These units are connected to each other for implementing the method according to the invention.
- the combustion gas supply line 10 may be connected to a unit producing combustion gases, in particular to the exhaust of a unit such as a gas turbine and/or to a combustion boiler and/or to an industrial furnace.
- the gas turbine may be any turbine producing combustion gases (namely any turbine comprising a combustion chamber, internal or external), including combined cycle gas turbines.
- the combustion boiler may be any boiler producing heat by combustion of a fuel. This fuel may be a gas or any other fuel, preferably a gas.
- the industrial furnace may be any industrial furnace, in particular forming part of a refinery, for example a furnace of a fluid catalytic cracking unit.
- a blower B101 ensures the movement of the gases in the line 10.
- the present invention is suitable for various processes in which the combustion gases have a temperature above 50°C, preferably above 100°C and preferably above 130°C, for example from 50 to 180°C, typically from 120°C to 180°C.
- combustion gas supply step of the method according to the invention can thus be implemented via this supply line 10.
- the CO2 capture unit 20 typically comprises a separation unit 210 and a regeneration unit 220. It also generally comprises a cooling unit or gas quenching unit 200 before they enter the separation unit 210.
- a cooling unit or gas quenching unit 200 before they enter the separation unit 210.
- An example of a capture unit according to the prior art is shown in Figure 2 and its operation described below.
- the cooled gases typically at a temperature of 30°C to 50°C, then enter the separation unit 210, comprising, in particular only, a zone absorption zone 210.
- This absorption zone may be part of an absorption column.
- absorption columns normally used in this type of process may be used.
- the separation of the CO2 contained in the combustion gases is generally carried out by washing the gases using an absorbent solution which retains the CO2 by simple physical dissolution and/or by dissolution after formation of a salt or a complex, thermally unstable, by reaction of the CO2 with a basic compound present in the absorbent solution.
- the combustion gases containing CO2 are brought into contact, preferably countercurrently, in an absorption zone with the absorbent solution chosen under pressure and temperature conditions such that the absorbent solution fixes almost all of the CO2.
- Suitable pressure and temperature conditions are, for example, absolute pressures ranging from 0.1 to 12 MPa and temperatures of the order of 30 to 110 °C.
- the absorbent solution consists of an aqueous solution of a basic compound fixing CO2 in the form of complexes decomposable by heating, this basic aqueous solution being for example an aqueous solution of potassium phosphate or potassium carbonate, an aqueous solution of an amino acid such as glycine, and in particular an aqueous solution of a primary, secondary, or tertiary alkanolamine such as in particular monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, methyl-diethanolamine, di isopropanolamine.
- this basic aqueous solution being for example an aqueous solution of potassium phosphate or potassium carbonate, an aqueous solution of an amino acid such as glycine, and in particular an aqueous solution of a primary, secondary, or tertiary alkanolamine such as in particular monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, methyl-diethanolamine, di isopropanolamine.
- combustion gases depleted in CO2 exit at the top of the absorption zone 210 via an upper pipe 212 and, if necessary, can then be directed towards a soda scrubber in which the last traces of acid compounds that they may still contain are retained (not shown).
- the absorbent solution to be regenerated that is to say the absorbent solution loaded with CO2 withdrawn from the separation unit 210, and in particular from the absorption zone thereof, via a lower pipe 214 equipped with a pump 215, is brought to the regeneration unit 220, comprising, in particular only, a regeneration zone 220.
- This regeneration zone may be part of a regeneration column.
- the regeneration columns usually used in this type of process may be used.
- this regeneration zone 220 the absorbent solution to be regenerated is kept boiling and under pressure.
- the heat necessary to maintain this boiling is provided by reboiling the absorbent solution contained in the regeneration zone regeneration, that is to say by indirect heat exchange between a part of the solution to be regenerated located in the lower half of the regeneration zone and a hot fluid at an appropriate temperature, generally saturated water vapor.
- This reboiling is implemented in one or more reboilers 222, here only one.
- the CO2 contained in the absorbent solution to be regenerated, maintained at boiling point, is released and stripped by the vapors of the absorbent solution.
- the CO2 leaves the regeneration zone at the top via a pipe 224 and is evacuated through a condenser system 226 which brings back into the regeneration zone 220 the liquid phase resulting from the condensation of the vapors of the absorbent solution entrained from the regeneration zone with the CO2.
- the CO2 is then compressed in the compression unit 30, represented here schematically by a single compressor but which may comprise one or more stages of compressors, possibly subjected to dehydration 34, and is evacuated from the compression unit 30 via the pipe 32.
- a boiler 40 makes it possible to produce steam ensuring the reboiling of the absorbent solution to be regenerated, the steam circulating in a closed circuit 42.
- This circuit 42 typically comprises a pump 44 for the circulation of the water, the path of which is as follows: the boiler 40 produces water vapor which is sent to the reboiler 222 in which calories are transferred to the absorbent solution to be regenerated, which causes the condensation of the water vapor. This condensed water vapor leaving the reboiler is returned to the boiler 40 thanks to the pump 44.
- the hot regenerated absorbent solution is drawn off and this regenerated solution is recycled to the absorption zone via a pipe 228 equipped with a pump 229, after having used part of the calories of this solution to reheat, by indirect heat exchange, here via an exchanger
- the CO2 capture installation 1 comprising a capture unit 20, here similar to that described with reference to Figure 2, further comprises a heat pump 50 comprising a heat recovery section 52 and a heat distribution section 54 arranged so as to reduce the energy consumption necessary to operate the capture unit 20, and in particular the regeneration unit 220 of this capture unit.
- the invention is however not limited to a particular capture unit, in particular of the type described with reference to Figure 2, and can be applied to any capture unit. existing to produce all or part of the steam necessary for the regeneration of the absorbent solution or for the operation of the capture unit.
- each heat recovery 52 and distribution 54 section comprises at least one indirect heat exchanger 520, 540 respectively, the heat pump further comprising a circuit 51 in which a working fluid circulates, and passing through the recovery 52 and distribution 54 sections.
- the heat pump 50 also usually comprises at least one compressor 56, only one in the figures, and at least one expansion device 58 (calibrated orifice, electronic expansion valve, turbine, semi-closed valve, etc.), only one in the figures.
- the compressor(s) 56 may be driven by an electric motor 57 (see figure 4) or by a turbine 59 (figures 3, 5, 6).
- the recovery section 52 of the heat pump comprises only the at least one indirect heat exchanger 520, the other elements of the heat pump, in particular the at least one indirect heat exchanger 540, the compressor(s) 56 and the at least one expansion device 58, are part of the heat distribution section 54 of the heat pump.
- the working fluid may be water, a hydrocarbon, in particular an alkane such as butane or cyclopentane, a refrigerant such as a hydrofluoroolefin (called HFO), or a hydrochlorofluoroolefin (called HCFO), a gas such as CO2, NH3, or other.
- the heat pump 50 recovers via the heat recovery section 52 a portion of the heat from the combustion gases supplied upstream of the capture unit 20, and in particular from the separation unit 210.
- the heat pump 50 distributes, via its heat distribution section 54, heat used (i) to preheat water entering the boiler 40, or (ii) to produce a portion of the water vapor supplying the at least one reboiler 222 or (iii) to heat the absorbent solution to be regenerated in the regeneration unit 220.
- [080] B flue gas heat recovery section which transfers (directly or indirectly) the heat from the flue gases to the heat recovery section 52 of the heat pump 50,
- [081] 50 heat pump 50 (also noted “PAC” 50) receiving the heat (6) coming from the hot source, electricity (U1), a cold fluid to be heated and producing a heated hot fluid (11),
- [088] 8 low pressure steam produced by at least one turbine driving the at least one compressor of the heat distribution section of the heat pump, when such a turbine is present,
- [091] 12 high pressure steam produced by the boiler 40 when the latter is a high pressure boiler, this high pressure steam supplying at least one turbine driving the at least one compressor of the heat pump 50, when such a turbine is present,
- [095] 16 combustion gases emitted by the boiler 40 when it is in combustion, these gases being returned to the pipe 10 in order to capture the CO2 that they contain and to reduce the CO2 footprint of the boiler and the steam that it produces,
- U4 cooling water (for the capture unit cooling system(s).
- Section B receives heat, typically via an exchanger with a heat source, from flue gases from which CO2 must be captured, and optionally from another waste heat source available on the nearby site.
- the main heat input is flue gases from upstream units.
- the gases cooled combustion gases 2 are then exported to the capture unit 20.
- the extracted heat is transferred to the heat distribution section 54 of the heat pump.
- Heat recovery at section B1 can be done in different ways, for example in a heat exchanger with the combustion gas, in a dedicated enclosure where water serves as a cooling fluid by direct contact and where the heat is recovered from the water to the heat pump, or via an enclosure of a direct contact cooling unit usually present in a capture unit 20, or even via a dedicated cooling circuit receiving calories from the combustion gases.
- a heat exchanger with the combustion gas in a dedicated enclosure where water serves as a cooling fluid by direct contact and where the heat is recovered from the water to the heat pump, or via an enclosure of a direct contact cooling unit usually present in a capture unit 20, or even via a dedicated cooling circuit receiving calories from the combustion gases.
- the CO2 capture unit 20 is typically a capture unit using an absorbent solution of the type described with reference to Figure 2.
- This unit generally comprises a quenching unit (for example in the form of a direct contact cooler, DCC (Direct Contact Coder)) to cool the flue gases.
- DCC Direct Contact Coder
- the cooled flue gases saturated with water are then sent to the absorption unit where the absorbent solution, possibly regenerated, captures the CO2.
- the CO2-depleted flue gases (3) are then sent to the atmosphere.
- the absorbent solution to be regenerated is sent to the regeneration unit to recover the captured CO2 (4) and regenerate the solution.
- This operation requires heat which is normally used in the form of steam.
- This steam can be supplied either by the heat pump 50 via line (11), or by the boiler 40 via line (12) and/or by external sources U4.
- the heat recovery section 52 may be integrated into the quenching unit of the capture unit 20. This makes it possible to increase the heat transfer coefficient and to reduce the size of the heat exchangers.
- the quenching unit may include a dedicated cooling system with a higher temperature which makes it possible to minimize the temperature rise that the heat pump must achieve and thus to maximize the Coefficient of Performance (COP) of the heat pump, as described below with reference to Figures 4 and 6.
- the cooling fluid of this dedicated cooling system may have a temperature above 60°C, preferably above 70°C, and preferably above 80°C, typically from 60°C to 90°C.
- the heat distribution section 54 of the heat pump receives heat from the combustion gases, electricity (U1) and/or high pressure steam (12) for the rotating equipment (turbine(s) possibly present to drive the compressor(s) of the heat pump).
- the heat produced by this distribution section 54 can be HP steam which can be used for the rotating equipment (turbines) and then for the regeneration of the absorbent solution (8), or preferably LP steam (11) which will be used for the regeneration of the absorbent solution, or even heat integrated into the boiler to reduce its fuel consumption, typically natural gas, or reduce its electricity consumption in the case of an electric boiler.
- the heat distribution section 54 can be integrated in different forms into the boiler 40, either as a preheater or intercooler in the boiler (as described with reference to Figures 3, 5, 6), or as a parallel unit to produce heat/steam to reduce the operation of the boiler (as described with reference to Figure 4).
- the steam produced will be used mainly for the regeneration of the absorbent solution in the capture unit 20.
- a possible arrangement also consists of using the mechanical energy produced by the expansion of the HP steam (14) produced by the boiler to drive a compressor or a pump of the CO2 compression unit 30 using a turbocharger or a turbopump system. However, this arrangement may, in certain cases, lead to implementation difficulties.
- the operation of the boiler 40 is optimal when it is as close as possible to the capture unit 20, and in particular to the regeneration unit.
- the compression unit 30 cannot be implemented next to the capture unit 20, for reasons of land availability, which can often occur in projects concerning existing refineries, then an HP steam line or a CO2 flow before/during/after compression must be considered, which entails significant costs.
- the heat distribution section 54 is preferably close to the capture unit 20, since it produces the steam for the regeneration unit. Therefore, a configuration in which a heat pump 50 provides part of the regeneration energy in the form of steam in addition to a gas boiler 40 offers the opportunity to implement a direct mechanical drive with a reduced cost compared to a configuration without a heat pump.
- the boiler 40 produces the heat necessary for the regeneration of the absorbent solution, and possibly the energy required for the rotating equipment.
- the steam necessary for the regeneration of the absorbent solution is low pressure steam (7), e.g. at an absolute pressure of 0.2 to 1.2 MPa, preferably 0.4 to 0.6 MPa.
- this boiler produces HP steam, e.g. at an absolute pressure greater than 2 MPa, preferably greater than 5 MPa, e.g. 4 MPa to 13.5 MPa.
- This steam will first be used to rotate the rotating CO2 compression equipment (14) and the heat pump (12).
- the steam at the outlet of the turbines will be in the state of low pressure steam (15) (8).
- This low pressure steam will then be used for the regeneration of the absorbent solution.
- MP steam can be produced and used for solution regeneration. absorbent.
- LP steam can be sent to a compression section to produce MP steam, for example a water vapor compression system, before sending it to the reboiler of the regeneration unit.
- This MP steam can also be used to rotate the rotating equipment of the heat pump.
- the boiler 40 can be decarbonized either by the capture unit 20 or by using an oxy-combustion system where the air is replaced by oxygen.
- the output will be rich in CO2 and H2O and can be sent to the compression unit 30 directly, possibly after a pretreatment step depending on the quality of the fuel.
- the fuel of the boiler can be entirely or partially replaced by decarbonized H2.
- the implementation of the heat pump according to the invention makes it possible to reduce operating costs.
- the presence of a boiler in the installation improves the overall availability and flexibility of the installation thanks to the fact that it offers an alternative source of steam. This operating case is potentially at a lower steam rate because the heat pump will not operate entirely or partially.
- the CO2 compression unit 30 typically comprises compressors and possibly pumps. These devices can advantageously be partially or totally driven by turbines which use the HP steam (14) produced by the boiler and/or the heat pump as described above. The steam is not entirely exploited by the turbines and leaves them in the form of LP steam (15) and possibly MP steam (not shown in the diagram). It should be noted that the compression of CO2 generates heat which can be used as an additional heat source which can be recovered by the recovery section of the heat pump.
- the boiler used in the present invention may be an electric boiler or a combustion boiler or an oxy-combustion boiler.
- the compression unit 30 comprises at least one turbine 36 for driving the compressor(s) and pump(s) of the compression unit.
- This turbine 36 is driven by HP steam produced by the boiler 40.
- the LP steam is returned to the reboiler of the capture unit.
- the boiler 40 can alternatively produce only LP steam which is then sent directly to the reboiler.
- the turbine 36 is then absent and replaced by a motor (as shown in Figure 2) or powered by HP steam from another source.
- the heat exchanger 520 of the heat recovery section 52 of the heat pump is mounted directly on the supply pipe 10 upstream of the separation unit 210, and in particular upstream of the cooling unit 200 and its contactor 201.
- the heat exchanger 520' of the heat recovery section 52 of the heat pump is mounted on a pipe of a cooling circuit 202' instead of being mounted directly on the combustion gas pipe 10 (in this second embodiment, 520 is omitted and replaced by 520', the circuit 51 passing only through 520').
- This combustion gas cooling circuit 202' is located upstream of the separation unit 210 with respect to the circulation of the gases, preferably upstream of any other cooling system.
- This cooling circuit 202' forms a closed loop in which a hot fluid, typically water, circulates, receiving heat from the combustion fumes by heat transfer via an indirect heat exchanger 205 mounted on the combustion gas pipe 10.
- two heat pumps may be provided, one recovering heat directly from the supply line 10 upstream of the separation unit 210 and the other recovering heat from a line of a cooling circuit 202' as described above or of a cooling circuit 201a or 202a as described below.
- the heat exchanger 520 of the heat recovery section of the heat pump is mounted on a pipe of a cooling circuit 202a of a system 201 or 203 for cooling the combustion gases located upstream of the separation unit 210 with respect to the circulation of the gases.
- This heat recovery can be carried out according to two variants.
- the cooling unit 200 of the capture unit 20 comprises a first cooling system 201a and a second cooling system 201b mounted in series upstream of the separation unit, each of these cooling systems comprising a cooling circuit, 202a and 202b respectively, each equipped with a pump 204a, 204b.
- the cooling circuit 202b of the second cooling system 201b further comprises a condenser 206.
- the heat exchanger 520 of the heat pump is mounted on the cooling circuit 201a of the first cooling system 201, at the outlet of the cooling system relative to the direction of circulation of the cooling fluid and thus serves as a condenser.
- the cooling fluid heated by its passage through the first cooling system 201a transfers calories to the working fluid of the heat pump via the heat exchanger 520, which causes it to condense, then is returned to the cooling system 201a.
- the cooling unit 200 of the capture unit 20 comprises a single cooling system 201 upstream of the separation unit 210.
- This cooling system 201 here comprises two cooling stages, a lower stage 203a comprising a first cooling circuit 202a equipped with a pump 204a and an upper stage 203b comprising another cooling circuit 202b equipped with a pump 204b and a condenser 206, separate from the first cooling circuit.
- the invention is not limited by the number of cooling stages of the single cooling system, which could comprise three or more cooling stages. A single cooling circuit could then be provided for the upper stages.
- the heat exchanger 520 of the section of heat recovery is mounted on the first cooling circuit 202a of the lower stage of the cooling system, at the outlet of the cooling system 201, relative to the direction of circulation of the cooling fluid and thus serves to condense the latter at the outlet of the first cooling stage 203a.
- the cooling fluid heated by its passage in the first stage 203a of the cooling system 201 transfers calories to the working fluid of the heat pump via the heat exchanger 520, which causes it to condense, then is returned to the first stage 203a of the cooling system 201.
- the combustion gases enter the cooling system 201 through the lowest stage and circulate from bottom to top.
- the cooling fluids are water, possibly comprising additives capable of reducing corrosion
- the cooling system is a multi-stage gas-liquid contactor or “direct Contact Coder”, which may comprise one or more beds each comprising one or more internal linings, structured or not.
- the invention is however not limited to this type of cooling system or cooling fluid and any cooling system usually used in CO2 capture installations may be used.
- the second and third embodiments make it possible to reduce the dimensions of the heat recovery section, and in particular of the heat exchanger, of the heat pump compared to the first embodiment.
- the heat distributed by the heat distribution section can be used to preheat the water entering the boiler 40.
- the installation 1 comprises a closed circuit 42 in which the water follows the following path: the water leaving the reboiler 222 is reheated by passing through the heat exchanger 540 of the heat distribution section of the heat pump, then enters the boiler 40 in which it is vaporized, here at high pressure, the high pressure steam produced by the boiler 40 then feeds a turbine 36 of the compression unit in order to drive the compressor thereof, and leaves the turbine 36 at low pressure before entering the reboiler 222 again.
- This closed circuit typically comprises a pump 44 to ensure the circulation of the water, generally positioned upstream of the inlet of the boiler 40, between the outlet of the reboiler 222 and the inlet of the boiler 40.
- the heat exchanger 540 is advantageously arranged between the pump 44 and the inlet of the boiler 40.
- the boiler 40 can produce LP steam.
- the low pressure steam from the boiler is sent directly to the reboiler 222.
- the compressor of the compression unit is then not driven by a turbine, or the steam necessary for the operation of the turbine is produced elsewhere. This variant is not preferred, however.
- preheating the water entering the boiler 40 makes it possible to reduce the amount of energy to be supplied by the boiler to produce steam (low or high pressure).
- This embodiment is particularly advantageous when the boiler is electric.
- the installation also comprises the closed circuit 42 described with reference to the first embodiment. It further comprises a bypass pipe 46, one end of which is connected to the closed circuit 42 at the outlet of the reboiler 222 and upstream of the boiler 40, and the other end of which is connected to the closed circuit 42 at the inlet of the reboiler 222 and downstream of the turbine 36 (and therefore of the boiler 40). Note that this embodiment can also be applied in the case of a boiler 40 producing low-pressure steam, the closed circuit 42 then not passing through the turbine 36.
- This bypass line 46 may further comprise a pump 47 for circulating the condensed steam leaving the reboiler 222.
- This embodiment makes it possible to reduce the size of the boiler since only part of the water circulating in the closed circuit circulates through the boiler.
- the at least one compressor 56 of the heat pump can be driven by a motor 57 (fig. 4) or by a turbine 59 (fig. 3, 5, 6). In the latter case, it is particularly advantageous to supply the turbine(s) 59 with high-pressure steam produced by the boiler 40, the LP steam leaving the turbine(s) 59 then being returned to the inlet of the reboiler 222, as shown in these figures.
- the boiler 40 is a combustion boiler
- the combustion gases from the boiler can be sent to the capture unit 20 via a pipe 60, here equipped with a fan 62.
- Figure 3 illustrates an example of application of the invention to the flue gases of a heat recovery steam generator (HRSG) downstream of a gas turbine in a 200 MWe LNG (Liquefied Natural Gas) plant.
- HRSG heat recovery steam generator
- LNG Liquefied Natural Gas
- this heat can also be used to produce steam by the heat pump 50, preferably low pressure steam (embodiment of Figure 4).
- This will produce 33 t/h of steam at an absolute pressure of 0.5 MPa (4.5 bar gauge) and 166 °C. 95 t/h of steam will then be produced by the boiler at an absolute pressure of 5.5 MPa (45 bar gauge) to run the CO2 compression turbine and the heat pump compressor. This reduces the amount of imported natural gas for the boiler by 24%.
- the use of steam for rotating equipment will save 6.13 MWe.
- the CO2 is delivered at a pressure of 16.5 MPa.
- the natural gas savings associated with this case are 1942 Nm 3 /h.
- the heat recovered from the flue gases via the heat pump is used for the production of steam which, in turn, is used to drive the rotating equipment used in the heat pump and/or the compression of CO2.
- the recovered energy is converted into steam, allowing it to be used as kinetic and thermal energy.
- the flue gases from the boiler are also sent to the CO2 capture facility to capture CO2 and thus reduce the overall CO2 footprint of the system.
- This example corresponds to the scheme shown in Figure 6 and has similar energy performance to Example 1.
- the main difference lies in the way heat is extracted from the flue gases. Heat recovery from flue gases requires relatively large heat exchangers.
- An alternative is proposed in this example.
- a dedicated flue gas cooling system 201a with water as the heat transfer fluid in direct contact is added.
- the water in direct contact with the flue gases recovers its energy and cools the flue gases at the same time.
- the heat required by the heat pump is then recovered from the recirculating water whose temperature is above 70 °C, preferably 90 °C. Excess water from potential condensation is removed from the system.
- the additional advantage of this configuration is that by installing it near the CO2 source, it allows its temperature to be reduced and therefore the volumetric flow rate of the flue gases to be reduced. This allows for a reduced flue gas piping system and therefore lowers capital expenditure.
- the B101 fan can be installed after or before this cooling system 201a.
- This concept can be used to electrify the CO2 capture unit in case of using electricity in the heat pump and recovering the energy at a higher temperature in order to be able to produce HP steam with a heat pump sized for this purpose.
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Abstract
Description
PROCÉDÉ ET INSTALLATION DE CAPTAGE DE CO2 CONTENU DANS UN GAZ DEMETHOD AND INSTALLATION FOR CAPTURING CO2 CONTAINED IN A GAS
COMBUSTION COMBUSTION
Domaine technique Technical field
[001] La présente invention concerne un procédé et une installation de captage de CO2 contenu dans un gaz de combustion. [001] The present invention relates to a method and an installation for capturing CO2 contained in a combustion gas.
Contexte de l'invention Background to the invention
[002] Les gaz contenant des composés acides tels que du CO2 et/ou H2S sont habituellement traités par absorption, par un procédé dans lequel les gaz sont mis en contact avec une solution absorbante qui retient les composés acides par simple dissolution physique et/ou par dissolution après formation d’un sel ou d’un complexe, instable thermiquement, par réaction desdits composés acides avec un composé basique présent dans la solution absorbante. La solution absorbante chargée en composés acides est ensuite régénérée dans une zone de régénération (un strippeur) dans laquelle elle est maintenue à ébullition sous pression. La chaleur nécessaire au maintien de cette ébullition est fournie par rebouillage de la solution absorbante, c’est- à-dire par échange de chaleur indirect entre une partie de la solution à régénérer et un fluide chaud à température appropriée, généralement de la vapeur d’eau saturée. [002] Gases containing acidic compounds such as CO2 and/or H2S are usually treated by absorption, by a process in which the gases are brought into contact with an absorbent solution which retains the acidic compounds by simple physical dissolution and/or by dissolution after formation of a salt or a thermally unstable complex, by reaction of said acidic compounds with a basic compound present in the absorbent solution. The absorbent solution loaded with acidic compounds is then regenerated in a regeneration zone (a stripper) in which it is kept boiling under pressure. The heat necessary to maintain this boiling is provided by reboiling the absorbent solution, that is to say by indirect heat exchange between a part of the solution to be regenerated and a hot fluid at an appropriate temperature, generally saturated water vapor.
[003] La consommation en énergie de ce procédé est cependant élevée, principalement en raison de l’énergie nécessaire au procédé de régénération de la solution absorbante. Art antérieur [003] The energy consumption of this process is however high, mainly due to the energy required for the process of regenerating the absorbent solution. Prior art
[004] De nombreux procédés ont été développés pour réduire la consommation énergétique d’un procédé de captage du CO2. [004] Many processes have been developed to reduce the energy consumption of a CO2 capture process.
[005] Ainsi, par exemple, il est connu de mettre en œuvre une recompression mécanique de vapeur (Mechanical Vapor Recompression ou MVR en anglais) pour produire une partie de la vapeur nécessaire au rebouillage. Cette technique consiste à détendre la solution absorbante régénérée en sortie de la zone de régénération afin de produire un fluide gazeux contenant essentiellement de l’eau et du CO2, qui est ensuite comprimé et renvoyé dans la zone de régénération. De manière similaire, il est possible de détendre la solution absorbante contenant le CO2 avant son entrée dans la zone de régénération, afin de produire un flux gazeux et un flux liquide. Le flux gazeux est recomprimé et réintroduit en bas de la zone de régénération alors que le flux liquide est envoyé en haut de la zone de régénération. [005] Thus, for example, it is known to implement mechanical vapor recompression (MVR) to produce part of the vapor necessary for reboiling. This technique consists of expanding the regenerated absorbent solution at the outlet of the regeneration zone in order to produce a gaseous fluid containing essentially water and CO2, which is then compressed and returned to the regeneration zone. Similarly, it is possible to expand the absorbent solution containing the CO2 before it enters the regeneration zone, in order to produce a gaseous stream and a liquid stream. The gaseous stream is recompressed and reintroduced at the bottom of the regeneration zone while the liquid stream is sent to the top of the regeneration zone.
[006] Il est également connu de comprimer le gaz purifié sortant en haut de la zone de régénération et de le condenser partiellement (procédé appelé « Stripper Overhead Compression » ou SOC en anglais). La chaleur dégagée est alors utilisée pour générer de la vapeur introduite en bas de la zone de régénération et ainsi produire une partie de la vapeur nécessaire au rebouillage. Cette méthode présente l’inconvénient de réchauffer le gaz purifié ce qui a impact négatif sur sa compression ultérieure. [007] Il existe cependant toujours un besoin pour réduire la consommation d’énergie d’un procédé de captage de CO2. [006] It is also known to compress the purified gas leaving the top of the regeneration zone and to partially condense it (a process called "Stripper Overhead Compression" or SOC in English). The heat released is then used to generate steam introduced at the bottom of the regeneration zone and thus produce part of the steam necessary for reboiling. This method has the disadvantage of heating the purified gas, which has a negative impact on its subsequent compression. [007] However, there is still a need to reduce the energy consumption of a CO2 capture process.
Description de l’invention Description of the invention
[008] L’invention propose un procédé de captage de CO2 présent dans des gaz de combustion, ledit procédé comprenant : [008] The invention proposes a method for capturing CO2 present in combustion gases, said method comprising:
[009] - une étape de fourniture de gaz de combustion contenant du CO2 à séparer,[009] - a step of supplying combustion gas containing CO2 to be separated,
[010] - une étape de séparation des gaz de combustion fournis au cours de laquelle les gaz de combustion fournis sont mis en contact avec une solution absorbante, cette étape produisant des gaz appauvris en CO2 et une solution absorbante enrichie en CO2, [010] - a step of separating the supplied combustion gases during which the supplied combustion gases are brought into contact with an absorbent solution, this step producing gases depleted in CO2 and an absorbent solution enriched in CO2 ,
[011] - une étape de régénération de la solution absorbante enrichie en CO2 au cours de laquelle le CO2 qu’elle contient est libéré par chauffage de la solution au moyen d’au moins un rebouilleur alimenté par de la vapeur d’eau basse pression, notamment à une pression de 0,1 à 1 ,2 MPa, de préférence de 0,4 à 0,6 MPa, [011] - a step of regenerating the absorbent solution enriched in CO2 during which the CO2 it contains is released by heating the solution by means of at least one reboiler supplied with low pressure steam, in particular at a pressure of 0.1 to 1.2 MPa, preferably of 0.4 to 0.6 MPa,
[012] - une étape de compression du CO2 libéré lors de l’étape de régénération au moyen d’au moins un compresseur. [012] - a step of compressing the CO2 released during the regeneration step by means of at least one compressor.
[013] Selon l’invention, une partie de la chaleur des gaz de combustion fournis est récupérée par une pompe à chaleur en amont de l’étape de séparation et ladite pompe à chaleur distribue de la chaleur utilisée (i) pour préchauffer de l’eau entrant dans une chaudière produisant de la vapeur alimentant l’au moins un rebouilleur, (ii) pour produire une partie de la vapeur d’eau alimentant l’au moins un rebouilleur ou (iii) pour chauffer la solution absorbante à régénérer dans l’étape de régénération. [013] According to the invention, part of the heat from the supplied combustion gases is recovered by a heat pump upstream of the separation step and said heat pump distributes heat used (i) to preheat water entering a boiler producing steam supplying the at least one reboiler, (ii) to produce part of the water vapor supplying the at least one reboiler or (iii) to heat the absorbent solution to be regenerated in the regeneration step.
[014] La présente invention consiste ainsi à récupérer la chaleur des gaz de combustion par le biais d'une pompe à chaleur et à réutiliser cette énergie thermique dans le procédé. Par l’utilisation d’une pompe à chaleur, de l’énergie thermique non valorisable est transformée en énergie thermique utile pour le procédé. Pour une unité d’énergie mécanique apportée au compresseur de la pompe à chaleur, plusieurs unités d’énergie thermiques utiles peuvent être produites. Ainsi, soit en préchauffant l’eau entrant dans la chaudière et/ou en produisant une partie de la vapeur et/ou en chauffant directement la solution absorbante à régénérer dans l’étape de régénération, il est possible de réduire l’empreinte carbone de la vapeur nécessaire à la régénération de la solution absorbante en réduisant le pouvoir calorifique à apporter par la combustion de combustible fossile lorsque la chaudière est à combustion. Ainsi, l’efficacité énergétique et l’empreinte CO2 du procédé selon l’invention sont améliorées. [014] The present invention thus consists in recovering the heat from the combustion gases by means of a heat pump and reusing this thermal energy in the process. By using a heat pump, non-recoverable thermal energy is transformed into useful thermal energy for the process. For one unit of mechanical energy supplied to the compressor of the heat pump, several units of useful thermal energy can be produced. Thus, either by preheating the water entering the boiler and/or by producing part of the steam and/or by directly heating the absorbent solution to be regenerated in the regeneration step, it is possible to reduce the carbon footprint of the steam necessary for the regeneration of the absorbent solution by reducing the calorific value to be provided by the combustion of fossil fuel when the boiler is combustion. Thus, the energy efficiency and the CO2 footprint of the process according to the invention are improved.
[015] En ce qui concerne l’utilisation de la chaleur produite par la pompe à chaleur, les modes de réalisation (i) ou (ii) sont préférés. [015] With regard to the use of the heat produced by the heat pump, embodiments (i) or (ii) are preferred.
[016] Le procédé selon l’invention peut utiliser une ou plusieurs pompes à chaleur récupérant la chaleur des gaz de combustion et la distribuant en un ou plusieurs points, notamment pour mettre en œuvre les différents modes de réalisation décrits ci-après. [017] La vapeur basse pression entrant dans l’au moins un rebouilleur est réchauffée et se condense lors de son passage dans l’au moins un rebouilleur. Ainsi, en sortie de ce dernier, on récupère de la vapeur condensée. [016] The method according to the invention can use one or more heat pumps recovering the heat from the combustion gases and distributing it to one or more points, in particular to implement the different embodiments described below. [017] The low pressure steam entering the at least one reboiler is heated and condenses as it passes through the at least one reboiler. Thus, at the outlet of the latter, condensed steam is recovered.
[018] La vapeur alimentant l’au moins un rebouilleur peut avantageusement circuler dans un circuit fermé traversant la chaudière pour recevoir des calories de celle-ci, traversant l’au moins un rebouilleur pour transférer des calories à la solution absorbante, et optionnellement le circuit fermé comprend au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur de l’étape de compression ou entrainant au moins un compresseur de la pompe à chaleur. [018] The steam supplying the at least one reboiler can advantageously circulate in a closed circuit passing through the boiler to receive calories from the latter, passing through the at least one reboiler to transfer calories to the absorbent solution, and optionally the closed circuit comprises at least one turbine driving the at least one compressor of the compression stage or driving at least one compressor of the heat pump.
[019] Ainsi, avantageusement, l’eau entrant dans la chaudière peut être de la vapeur condensée sortant de l’au moins un rebouilleur. [019] Thus, advantageously, the water entering the boiler can be condensed steam leaving the at least one reboiler.
[020] La chaudière utilisée pour produire de la vapeur alimentant l’au moins un rebouilleur peut produire de la vapeur basse pression, notamment à une pression absolue de 0,2 à 1 ,2 MPa (1-10 bar jauge), de préférence de 0,4 à 0,6 MPa (3-5 bar jauge). Cette vapeur basse pression peut alors être envoyée directement à l’au moins un rebouilleur. [020] The boiler used to produce steam supplying the at least one reboiler can produce low pressure steam, in particular at an absolute pressure of 0.2 to 1.2 MPa (1-10 bar gauge), preferably 0.4 to 0.6 MPa (3-5 bar gauge). This low pressure steam can then be sent directly to the at least one reboiler.
[021] Alternativement, cette chaudière peut produire de la vapeur à une pression dite « haute pression » supérieure à la basse pression, par exemple à une pression absolue de 2 à 13,5 MPa (20- 135 bar gauge), de préférence de 4 à 9 MPa (40 - 90 bar gauge). [021] Alternatively, this boiler can produce steam at a so-called "high pressure" higher than the low pressure, for example at an absolute pressure of 2 to 13.5 MPa (20-135 bar gauge), preferably 4 to 9 MPa (40 - 90 bar gauge).
[022] Dans ce cas, la vapeur haute pression produite par la chaudière peut avantageusement alimenter au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur de l’étape de compression et/ou entrainant au moins un compresseur de la pompe à chaleur, et la vapeur basse pression sortant de l’au moins une turbine peut alors alimenter l’au moins un rebouilleur. La vapeur haute pression sortant de la chaudière peut être répartie entre plusieurs turbines ou alimenter une unique turbine. [022] In this case, the high-pressure steam produced by the boiler can advantageously supply at least one turbine driving the at least one compressor of the compression stage and/or driving at least one compressor of the heat pump, and the low-pressure steam leaving the at least one turbine can then supply the at least one reboiler. The high-pressure steam leaving the boiler can be distributed between several turbines or supply a single turbine.
[023] Avantageusement, dans un mode de réalisation dans lequel la chaudière produit de la vapeur haute pression, la pompe à chaleur peut produire de la chaleur transférée, notamment via une section de distribution de chaleur, à l’eau entrant dans la chaudière, et : la pompe à chaleur comprend au moins un compresseur entrainé par au moins une turbine, et ladite turbine de pompe à chaleur est entrainée par une partie de la vapeur haute pression produite par la chaudière et la vapeur basse pression sortant de la turbine de pompe à chaleur alimente l’au moins un rebouilleur. [023] Advantageously, in an embodiment in which the boiler produces high pressure steam, the heat pump can produce heat transferred, in particular via a heat distribution section, to the water entering the boiler, and: the heat pump comprises at least one compressor driven by at least one turbine, and said heat pump turbine is driven by a portion of the high pressure steam produced by the boiler and the low pressure steam leaving the heat pump turbine feeds the at least one reboiler.
[024] Avantageusement, notamment dans un mode de réalisation dans lequel la chaudière produit de la vapeur haute pression ou basse pression, la pompe à chaleur peut produire de la chaleur transférée, notamment via une section de distribution de chaleur, à une portion de vapeur condensée sortant de l’au moins un rebouilleur pour la vaporiser à nouveau et la renvoyer à l’entrée de l’au moins un rebouilleur. [025] La récupération de la chaleur des gaz de combustion par la pompe à chaleur en amont de l’étape de séparation peut être mise en œuvre de diverses manières, indépendamment de l’utilisation de la chaleur produite par la pompe à chaleur. [024] Advantageously, in particular in an embodiment in which the boiler produces high pressure or low pressure steam, the heat pump can produce heat transferred, in particular via a heat distribution section, to a portion of condensed steam leaving the at least one reboiler to vaporize it again and return it to the inlet of the at least one reboiler. [025] The recovery of heat from the flue gases by the heat pump upstream of the separation step can be implemented in various ways, independently of the use of the heat produced by the heat pump.
[026] Dans un mode de réalisation, la pompe à chaleur peut récupérer au moins une partie de la chaleur des gaz de combustion fournis par transfert de chaleur via une section de récupération de chaleur dans laquelle circulent lesdits gaz de combustion. Ce mode de réalisation peut avantageusement être mis en œuvre en amont de toute étape de refroidissement. [026] In one embodiment, the heat pump may recover at least a portion of the heat from the combustion gases supplied by heat transfer via a heat recovery section in which said combustion gases circulate. This embodiment may advantageously be implemented upstream of any cooling step.
[027] Dans un autre mode de réalisation, la pompe à chaleur peut récupérer au moins une partie de la chaleur des gaz de combustion fournis par transfert de chaleur via une section de récupération de chaleur dans laquelle circule un fluide chaud ayant reçu par transfert de chaleur au moins une partie de la chaleur des gaz de combustion. Typiquement, ce fluide chaud circule dans un circuit de refroidissement fermé recevant la chaleur des gaz de combustion par transfert de chaleur, par exemple via un échangeur de chaleur direct ou indirect. Ce mode de réalisation peut également avantageusement être mis en œuvre en amont de toute étape de refroidissement. [027] In another embodiment, the heat pump can recover at least a portion of the heat from the combustion gases supplied by heat transfer via a heat recovery section in which circulates a hot fluid having received by heat transfer at least a portion of the heat from the combustion gases. Typically, this hot fluid circulates in a closed cooling circuit receiving the heat from the combustion gases by heat transfer, for example via a direct or indirect heat exchanger. This embodiment can also advantageously be implemented upstream of any cooling step.
[028] Avantageusement, le procédé peut comprendre, en amont de l’étape de séparation par rapport à la circulation des gaz : une étape de refroidissement des gaz de combustion fournis, cette étape de refroidissement étant mise en œuvre dans un système de refroidissement dans lequel les gaz de combustion fournis sont refroidis par un fluide (par exemple via un échangeur à contact direct). [028] Advantageously, the method may comprise, upstream of the separation step with respect to the circulation of the gases: a step of cooling the combustion gases supplied, this cooling step being implemented in a cooling system in which the combustion gases supplied are cooled by a fluid (for example via a direct contact exchanger).
[029] Dès lors, la pompe à chaleur peut récupérer une partie de la chaleur des gaz de combustion fournis par transfert de chaleur via une section de récupération de chaleur dans laquelle circule le fluide réchauffé par les gaz de combustion lors de l’étape de refroidissement. [029] Therefore, the heat pump can recover part of the heat from the combustion gases supplied by heat transfer via a heat recovery section in which the fluid heated by the combustion gases during the cooling stage circulates.
[030] Typiquement, les gaz de combustion fournis à refroidir circulent de bas en haut dans le système de refroidissement. Ce dernier peut avantageusement être un contacteur gaz-liquide à un ou plusieurs étages de refroidissement. Typiquement, le fluide refroidissement est de l’eau et circule dans un circuit fermé. [030] Typically, the combustion gases supplied to be cooled circulate from bottom to top in the cooling system. The latter can advantageously be a gas-liquid contactor with one or more cooling stages. Typically, the cooling fluid is water and circulates in a closed circuit.
[031] Dans une variante, le procédé comprend une deuxième étape de refroidissement mise en œuvre après cette première étape de refroidissement et avant l’étape de séparation. Cette deuxième étape de refroidissement est alors mise en œuvre dans un deuxième système de refroidissement dans lequel les gaz de combustion fournis sont davantage refroidis par un fluide. Cette deuxième étape de refroidissement peut être une étape de trempe. Ainsi, le fluide sortant de la deuxième étape de refroidissement est à une température inférieure à celle du fluide sortant de la première étape de refroidissement. [031] In a variant, the method comprises a second cooling step implemented after this first cooling step and before the separation step. This second cooling step is then implemented in a second cooling system in which the supplied combustion gases are further cooled by a fluid. This second cooling step may be a quenching step. Thus, the fluid leaving the second cooling step is at a lower temperature than that of the fluid leaving the first cooling step.
[032] Dans une autre variante, le procédé peut comprendre une unique étape de refroidissement mise en œuvre dans un unique système de refroidissement et l’unique système de refroidissement peut comprendre au moins deux étages de refroidissement, les gaz de combustion traversant l’étage de refroidissement le plus bas étant refroidis par un circuit de fluide indépendant d’au moins un autre circuit de fluide refroidissant l’au moins un autre étage de refroidissement. Dès lors, la pompe à chaleur peut récupérer une partie de la chaleur des gaz de combustion par transfert de chaleur, via une section de récupération de chaleur dans laquelle circule le fluide réchauffé par le gaz de combustion de l’étage de refroidissement le plus bas. [032] In another variant, the method may comprise a single cooling step implemented in a single cooling system and the single The cooling system may comprise at least two cooling stages, the combustion gases passing through the lowest cooling stage being cooled by a fluid circuit independent of at least one other fluid circuit cooling the at least one other cooling stage. The heat pump may then recover part of the heat from the combustion gases by heat transfer, via a heat recovery section in which the fluid heated by the combustion gas from the lowest cooling stage circulates.
[033] Avantageusement, les gaz de combustion fournis lors de l’étape de fourniture peuvent être des gaz combustion choisis parmi : les gaz de combustion d’une turbine à gaz, notamment d’une turbine à gaz d’une unité de liquéfaction de gaz naturel et/ou d’une turbine à gaz à cycle combiné, et/ou, les gaz de combustion d’une chaudière à combustion, notamment de la chaudière produisant la vapeur pour l’étape de régénération, [033] Advantageously, the combustion gases supplied during the supply step may be combustion gases chosen from: the combustion gases of a gas turbine, in particular of a gas turbine of a natural gas liquefaction unit and/or of a combined cycle gas turbine, and/or, the combustion gases of a combustion boiler, in particular of the boiler producing the steam for the regeneration step,
[034] - les gaz de combustion de fours industriels à combustion, notamment d’unités de raffinage et en particulier d’unités de craquage catalytique fluide. [034] - combustion gases from industrial combustion furnaces, in particular from refining units and in particular from fluid catalytic cracking units.
[035] L’invention a aussi pour objet une installation de captage du CO2 présent dans des gaz de combustion, notamment adaptée pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention. L’installation comprend : [035] The invention also relates to an installation for capturing CO2 present in combustion gases, in particular adapted to implement the method according to the invention. The installation comprises:
[036] - une conduite de fourniture de gaz de combustion contenant du CO2 à séparer, une unité de séparation raccordée à la conduite de fourniture dans laquelle les gaz de combustion fournis sont mis en contact avec une solution absorbante, cette unité produisant des gaz de combustion appauvris en CO2 et une solution absorbante enrichie en CO2, une unité de régénération raccordée à l’unité de séparation et recevant la solution absorbante enrichie en CO2, dans laquelle le CO2 contenu dans la solution absorbante est libéré par chauffage de la solution au moyen d’au moins un rebouilleur alimenté par de la vapeur d’eau basse pression, une unité de compression du CO2 raccordée à l’unité de régénération et recevant le CO2 libéré, et comprenant au moins un compresseur. [036] - a supply line for combustion gases containing CO2 to be separated, a separation unit connected to the supply line in which the supplied combustion gases are brought into contact with an absorbent solution, this unit producing CO2-depleted combustion gases and a CO2-enriched absorbent solution, a regeneration unit connected to the separation unit and receiving the CO2-enriched absorbent solution, in which the CO2 contained in the absorbent solution is released by heating the solution by means of at least one reboiler supplied with low-pressure water vapor, a CO2 compression unit connected to the regeneration unit and receiving the released CO2, and comprising at least one compressor.
[037] Selon l’invention, l’installation comprend en outre une pompe à chaleur comprenant une section de récupération de chaleur et une section de distribution de chaleur, et : la section de récupération de chaleur (a) est montée sur la conduite de fourniture en amont de l’unité de séparation ou (b) est montée sur une conduite d’un circuit de refroidissement des gaz de combustion situé en amont de l’unité de séparation par rapport à la circulation des gaz, la section de distribution de chaleur est montée (i) sur une conduite d’alimentation en eau d’une chaudière produisant de la vapeur alimentant l’au moins un rebouilleur, (ii) sur une conduite de vapeur d’eau alimentant l’au moins un rebouilleur ou (iii) l’unité de régénération pour chauffer la solution absorbante à régénérer. [037] According to the invention, the installation further comprises a heat pump comprising a heat recovery section and a heat distribution section, and: the heat recovery section (a) is mounted on the supply pipe upstream of the separation unit or (b) is mounted on a pipe of a combustion gas cooling circuit located upstream of the separation unit with respect to the circulation of the gases, the heat distribution section is mounted (i) on a water supply pipe of a boiler producing steam supplying the at least a reboiler, (ii) on a steam line feeding the at least one reboiler or (iii) the regeneration unit for heating the absorbent solution to be regenerated.
[038] L’installation peut comprendre deux ou plusieurs pompes à chaleur récupérant la chaleur des gaz de combustion et la distribuant en un ou plusieurs points de l’installation, notamment pour mettre en œuvre les différents modes de réalisation décrits ci-après. [038] The installation may comprise two or more heat pumps recovering heat from the combustion gases and distributing it to one or more points in the installation, in particular to implement the different embodiments described below.
[039] Typiquement, l’installation peut comprendre un circuit fermé raccordé à la chaudière et à l’au moins un rebouilleur de sorte que l’eau entrant dans la chaudière peut être de la vapeur condensée sortant de l’au moins un rebouilleur. [039] Typically, the installation may comprise a closed circuit connected to the boiler and to the at least one reboiler such that the water entering the boiler may be condensed steam leaving the at least one reboiler.
[040] L’installation peut comprendre au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur de l’unité de compression et/ou entrainant au moins un compresseur de la pompe à chaleur, et l’au moins une turbine est alimentée en vapeur haute pression produite par la chaudière via une conduite raccordée à une sortie de la chaudière et une conduite relie une sortie de l’au moins une turbine à une entrée de l’au moins un rebouilleur pour l’alimenter en vapeur basse pression. [040] The installation may comprise at least one turbine driving the at least one compressor of the compression unit and/or driving at least one compressor of the heat pump, and the at least one turbine is supplied with high pressure steam produced by the boiler via a pipe connected to an outlet of the boiler and a pipe connects an outlet of the at least one turbine to an inlet of the at least one reboiler to supply it with low pressure steam.
[041] L’installation peut comprendre l’une des caractéristiques suivantes : [041] The installation may include one of the following features:
[042] - la section de distribution de chaleur est connectée à une conduite de vapeur condensée raccordée à une sortie de l’au moins un rebouilleur, cette conduite étant raccordée à une entrée de l’au moins un rebouilleur, ou la section de distribution de chaleur est connectée à une conduite d’alimentation en eau de la chaudière, la pompe à chaleur comprend au moins un compresseur et au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur, et ladite turbine de pompe à chaleur reçoit une partie de la vapeur haute pression produite par la chaudière via une conduite raccordée à une sortie de la chaudière, et fournit de la vapeur basse pression via une autre conduite alimentant une entrée de l’au moins un rebouilleur. [042] - the heat distribution section is connected to a condensed steam line connected to an outlet of the at least one reboiler, this line being connected to an inlet of the at least one reboiler, or the heat distribution section is connected to a water supply line of the boiler, the heat pump comprises at least one compressor and at least one turbine driving the at least one compressor, and said heat pump turbine receives a portion of the high pressure steam produced by the boiler via a line connected to an outlet of the boiler, and supplies low pressure steam via another line supplying an inlet of the at least one reboiler.
[043] Le circuit de refroidissement sur la conduite duquel la section de récupération de chaleur peut être montée, peut faire partie d’un système de refroidissement des gaz de combustion ou être un circuit fermé distinct, indépendant, équipé d’un échangeur de chaleur indirect. [043] The cooling circuit on the pipe of which the heat recovery section can be mounted, can be part of a flue gas cooling system or be a separate, independent closed circuit, equipped with an indirect heat exchanger.
[044] L’installation peut notamment comprendre l’une des caractéristiques suivantes : [044] The installation may in particular include one of the following characteristics:
[045] - un unique système de refroidissement comprenant au moins deux étages de refroidissement, un premier circuit de fluide de refroidissement de l’étage de refroidissement le plus bas, et au moins un autre circuit de fluide de refroidissement l’au moins un autre étage de refroidissement indépendant du premier circuit, la section de récupération de chaleur de la pompe à chaleur étant raccordée au premier circuit de fluide de refroidissement, un premier système de refroidissement comprenant un premier circuit de fluide de refroidissement, optionnellement monté en amont d’un deuxième système de refroidissement comprenant un deuxième circuit de fluide de refroidissement, le(s)dit(s) système(s) de refroidissement étant situés en amont de l’unité de séparation par rapport à la circulation des gaz, et la section de récupération de chaleur de la pompe à chaleur est raccordée au premier circuit de fluide de refroidissement. [045] - a single cooling system comprising at least two cooling stages, a first cooling fluid circuit of the lowest cooling stage, and at least one other cooling fluid circuit the at least one other cooling stage independent of the first circuit, the heat recovery section of the heat pump being connected to the first cooling fluid circuit, a first cooling system comprising a first cooling fluid circuit, optionally mounted upstream of a second cooling system comprising a second cooling fluid circuit, said(s) cooling system(s) being located upstream of the separation unit with respect to the gas circulation, and the heat recovery section of the heat pump is connected to the first cooling fluid circuit.
[046] L’installation peut comprendre au moins une conduite de fourniture des gaz de combustion raccordée à l’échappement d’une turbine à gaz et/ou à une chaudière à combustion et ou à toute autre unité de production de gaz de combustion, tel qu’un four industriel à combustion, notamment d’une unité de raffinage. [046] The installation may comprise at least one combustion gas supply pipe connected to the exhaust of a gas turbine and/or to a combustion boiler and/or to any other combustion gas production unit, such as an industrial combustion furnace, in particular a refining unit.
Description détaillée de l’invention Detailed description of the invention
[047] Les termes « comprenant » et « comprend » tels qu’utilisés ici sont synonymes avec « incluant », « inclut » ou « contient », « contenant », et sont inclusifs ou sans bornes et n’excluent pas de caractéristiques additionnelles, d’éléments ou d’étapes de méthodes non spécifiés. Ces termes incluent les modes de réalisation dans lesquels ils sont remplacés par « constituant » ou « constitué de ». [047] The terms “comprising” and “comprises” as used herein are synonymous with “including,” “includes,” or “contains,” “containing,” and are inclusive or unbounded and do not exclude additional features, elements, or method steps not specified. These terms include embodiments in which they are replaced by “constituting” or “consisting of.”
[048] Dans la description qui suit, les différents modes de réalisation décrits, et en particulier les modes de réalisation préférés de chaque étape, sont combinables selon l’objectif recherché. [048] In the following description, the different embodiments described, and in particular the preferred embodiments of each step, can be combined according to the desired objective.
[049] Dans la présente description, par vapeur « basse pression », aussi notée BP, on entend de la vapeur à une pression absolue de 0,1 à 1 ,2 MPa. [049] In the present description, by “low pressure” steam, also noted BP, is meant steam at an absolute pressure of 0.1 to 1.2 MPa.
[050] Dans la présente description, par vapeur « moyenne pression », aussi notée MP, on entend de la vapeur à une pression absolue de 0,8 à 3 MPA. [050] In the present description, by “medium pressure” steam, also noted MP, is meant steam at an absolute pressure of 0.8 to 3 MPA.
[051] Dans la présente description, par vapeur « haute pression », aussi notée HP, on entend de la vapeur à une pression supérieure à une « basse pression », par exemple à une pression absolue de 2 à 13,5 MPA. [051] In the present description, by “high pressure” steam, also noted HP, is meant steam at a pressure higher than a “low pressure”, for example at an absolute pressure of 2 to 13.5 MPA.
Description détaillée des figures Detailed description of the figures
[052] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [052] Other features and advantages of the invention will emerge from reading the description given below of a particular embodiment of the invention, given for informational purposes but not as a limitation, with reference to the appended drawings in which:
[053] La [Fig.1] représente schématiquement une installation de captage de CO2 réunissant plusieurs modes de réalisation de l’invention. [053] [Fig.1] schematically represents a CO2 capture installation combining several embodiments of the invention.
[054] La [Fig. 2] représente schématiquement une installation de captage de CO2 selon l’art antérieur. [054] [Fig. 2] schematically represents a CO2 capture installation according to the prior art.
[055] La [Fig. 3] représente schématiquement une installation de captage de CO2 selon un premier mode de réalisation de l’invention. [055] [Fig. 3] schematically represents a CO2 capture installation according to a first embodiment of the invention.
[056] La [Fig. 4] représente schématiquement une installation de captage de CO2 selon un deuxième premier mode de réalisation de l’invention. [056] [Fig. 4] schematically represents a CO2 capture installation according to a second first embodiment of the invention.
[057] La [Fig. 5] représente schématiquement une installation de captage de CO2 selon un troisième premier mode de réalisation de l’invention. [058] La [Fig. 6] représente schématiquement une installation de captage de CO2 selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. [057] [Fig. 5] schematically represents a CO2 capture installation according to a third first embodiment of the invention. [058] [Fig. 6] schematically represents a CO2 capture installation according to a fourth embodiment of the invention.
[059] Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références. CW désigne de l’eau froide/refroidie. [059] In the figures, the same elements are designated by the same references. CW designates cold/cooled water.
[060] Figure 1 représente schématiquement une installation de captage de CO2 1 comprenant une conduite 10 de fourniture de gaz de combustion, une unité 20 de capture du CO2, une unité de compression 30 du CO2 capturé et une chaudière 40. Ces unités étant reliées les unes aux autres pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention. [060] Figure 1 schematically represents a CO2 capture installation 1 comprising a combustion gas supply pipe 10, a CO2 capture unit 20, a captured CO2 compression unit 30 and a boiler 40. These units are connected to each other for implementing the method according to the invention.
[061] La conduite 10 de fourniture de gaz de combustion peut être raccordée à une unité produisant des gaz de combustion, notamment à l’échappement d’une unité telle qu’une turbine à gaz et/ou à une chaudière à combustion et/ou à un four industriel. La turbine à gaz peut être toute turbine produisant des gaz de combustion (à savoir toute turbine comprenant une chambre de combustion, interne ou externe), y compris les turbines à gaz à cycle combiné. La chaudière à combustion peut être toute chaudière produisant de la chaleur par combustion d’un combustible. Ce combustible peut être un gaz ou tout autre combustible, de préférence un gaz. Le four industriel peut être tout four industriel, notamment faisant partie d’une raffinerie, par exemple un four d’une unité de craquage catalytique fluide. Une soufflante B101 assure le déplacement des gaz dans la conduite 10. [061] The combustion gas supply line 10 may be connected to a unit producing combustion gases, in particular to the exhaust of a unit such as a gas turbine and/or to a combustion boiler and/or to an industrial furnace. The gas turbine may be any turbine producing combustion gases (namely any turbine comprising a combustion chamber, internal or external), including combined cycle gas turbines. The combustion boiler may be any boiler producing heat by combustion of a fuel. This fuel may be a gas or any other fuel, preferably a gas. The industrial furnace may be any industrial furnace, in particular forming part of a refinery, for example a furnace of a fluid catalytic cracking unit. A blower B101 ensures the movement of the gases in the line 10.
[062] La présente invention est adaptée à divers procédés dont les gaz de combustion ont une température supérieure à 50 °C, de préférence supérieure à 100 °C et de préférence supérieure à 130 °C, par exemple de 50 à 180 °C, typiquement de 120 °C à 180 °C. [062] The present invention is suitable for various processes in which the combustion gases have a temperature above 50°C, preferably above 100°C and preferably above 130°C, for example from 50 to 180°C, typically from 120°C to 180°C.
[063] L’étape de fourniture de gaz de combustion du procédé selon l’invention peut ainsi être mise en œuvre par cette conduite de fourniture 10. [063] The combustion gas supply step of the method according to the invention can thus be implemented via this supply line 10.
[064] L’unité 20 de capture du CO2 comprend typiquement une unité de séparation 210 et une unité de régénération 220. Elle comprend également généralement une unité de refroidissement ou unité de trempe des gaz 200 avant leur entrée dans l’unité de séparation 210. Un exemple d’unité de capture selon l’art antérieur est représenté figure 2 et son fonctionnement décrit ci-après. [064] The CO2 capture unit 20 typically comprises a separation unit 210 and a regeneration unit 220. It also generally comprises a cooling unit or gas quenching unit 200 before they enter the separation unit 210. An example of a capture unit according to the prior art is shown in Figure 2 and its operation described below.
[065] En référence à la figure 2, les gaz de combustion à séparer sont amenés à l’unité 20 de capture de CO2 par la conduite 10. Ils sont ensuite refroidis dans une unité de refroidissement 200 comprenant un système de refroidissement 201 , typiquement un contacteur gaz-liquide 201 , dans laquelle ils sont refroidis par de l’eau circulant dans un circuit fermé 202. Ce circuit fermé comprend en général une pompe 204 et un condenseur 206. [065] With reference to Figure 2, the combustion gases to be separated are brought to the CO2 capture unit 20 via the pipe 10. They are then cooled in a cooling unit 200 comprising a cooling system 201, typically a gas-liquid contactor 201, in which they are cooled by water circulating in a closed circuit 202. This closed circuit generally comprises a pump 204 and a condenser 206.
[066] Les gaz refroidis, typiquement à une température de 30 °C à 50 °C, entrent ensuite dans l’unité de séparation 210, comprenant, notamment uniquement, une zone d’absorption 210. Cette zone d’absorption peut faire partie d’une colonne d’absorption. On pourra à cet effet utiliser les colonnes d’absorption habituellement utilisées dans ce type de procédé. [066] The cooled gases, typically at a temperature of 30°C to 50°C, then enter the separation unit 210, comprising, in particular only, a zone absorption zone 210. This absorption zone may be part of an absorption column. For this purpose, absorption columns normally used in this type of process may be used.
[067] La séparation du CO2 contenus dans les gaz de combustion est généralement réalisée par lavage des gaz à l'aide d'une solution absorbante qui retient le CO2 par simple dissolution physique ou/et par dissolution après formation d'un sel ou d'un complexe, instable thermiquement, par réaction du CO2 avec un composé basique présent dans la solution absorbante. En pratique, les gaz de combustion contenant du CO2 sont mis en contact, de préférence à contre-courant, dans une zone d'absorption avec la solution absorbante choisie dans des conditions de pression et de température telles que la solution absorbante fixe la quasi-totalité du CO2. Des conditions appropriées de pression et de température, sont, par exemple, des pressions absolues allant de 0,1 à 12 MPa et des températures de l'ordre de 30 à 110 °C. [067] The separation of the CO2 contained in the combustion gases is generally carried out by washing the gases using an absorbent solution which retains the CO2 by simple physical dissolution and/or by dissolution after formation of a salt or a complex, thermally unstable, by reaction of the CO2 with a basic compound present in the absorbent solution. In practice, the combustion gases containing CO2 are brought into contact, preferably countercurrently, in an absorption zone with the absorbent solution chosen under pressure and temperature conditions such that the absorbent solution fixes almost all of the CO2. Suitable pressure and temperature conditions are, for example, absolute pressures ranging from 0.1 to 12 MPa and temperatures of the order of 30 to 110 °C.
[068] La solution absorbante utilisée pour fixer les composés gazeux absorbables, et en particulier le CO2, peut être l'une quelconque des solutions absorbantes connues dans l'art à cet effet. Cette solution absorbante peut être notamment constituée par un solvant de type organique, tels que des amines, renfermant éventuellement des additifs anti-oxydants. Le plus souvent, la solution absorbante consiste en une solution aqueuse d'un composé basique fixant le CO2 sous la forme de complexes décomposables par chauffage, cette solution aqueuse basique étant par exemple une solution aqueuse de phosphate de potassium ou de carbonate de potassium, une solution aqueuse d'un aminoacide tel que glycine, et en particulier une solution aqueuse d'une alcanolamine primaire, secondaire, ou tertiaire telle que notamment monoéthanolamine, diéthanolamine, triéthanolamine, méthyl-diéthanolamine, di isopropanolamine. [068] The absorbent solution used to fix the absorbable gaseous compounds, and in particular CO2, may be any of the absorbent solutions known in the art for this purpose. This absorbent solution may in particular consist of an organic solvent, such as amines, possibly containing antioxidant additives. Most often, the absorbent solution consists of an aqueous solution of a basic compound fixing CO2 in the form of complexes decomposable by heating, this basic aqueous solution being for example an aqueous solution of potassium phosphate or potassium carbonate, an aqueous solution of an amino acid such as glycine, and in particular an aqueous solution of a primary, secondary, or tertiary alkanolamine such as in particular monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, methyl-diethanolamine, di isopropanolamine.
[069] Les gaz de combustion appauvris en CO2 sortent en tête de la zone d’absorption 210 par une conduite supérieure 212 et, si besoin peuvent être ensuite dirigés vers un laveur à soude dans lequel sont retenues les dernières traces de composés acides qu'elles pouvaient encore contenir (non représenté). [069] The combustion gases depleted in CO2 exit at the top of the absorption zone 210 via an upper pipe 212 and, if necessary, can then be directed towards a soda scrubber in which the last traces of acid compounds that they may still contain are retained (not shown).
[070] La solution absorbante à régénérer, c'est-à-dire la solution absorbante chargée en CO2 soutirée de l’unité de séparation 210, et notamment de la zone d'absorption de celle- ci, via une conduite inférieure 214 équipée d’une pompe 215, est amenée à l’unité de régénération 220, comprenant, notamment uniquement, une zone de régénération 220. Cette zone de régénération peut faire partie d’une colonne de régénération. On pourra à cet effet utiliser les colonnes de régénération habituellement utilisées dans ce type de procédé. [070] The absorbent solution to be regenerated, that is to say the absorbent solution loaded with CO2 withdrawn from the separation unit 210, and in particular from the absorption zone thereof, via a lower pipe 214 equipped with a pump 215, is brought to the regeneration unit 220, comprising, in particular only, a regeneration zone 220. This regeneration zone may be part of a regeneration column. For this purpose, the regeneration columns usually used in this type of process may be used.
[071] Dans cette zone de régénération 220, on maintient la solution absorbante à régénérer à l'ébullition et sous pression. La chaleur nécessaire au maintien de cette ébullition est fournie par rebouillage de la solution absorbante contenue dans la zone de régénération, c'est-à-dire par échange de chaleur indirect entre une partie de la solution à régénérer se trouvant dans la moitié inférieure de la zone de régénération et un fluide chaud à température appropriée, généralement de la vapeur d'eau saturée. Ce rebouillage est mis en œuvre dans un ou plusieurs rebouilleurs 222, ici un seul. [071] In this regeneration zone 220, the absorbent solution to be regenerated is kept boiling and under pressure. The heat necessary to maintain this boiling is provided by reboiling the absorbent solution contained in the regeneration zone regeneration, that is to say by indirect heat exchange between a part of the solution to be regenerated located in the lower half of the regeneration zone and a hot fluid at an appropriate temperature, generally saturated water vapor. This reboiling is implemented in one or more reboilers 222, here only one.
[072] Au cours de la régénération, le CO2 contenu dans la solution absorbante à régénérer maintenue à l'ébullition est libéré et strippé par les vapeurs de la solution absorbante. Le CO2 sort en tête de la zone de régénération via une conduite 224 et est évacué à travers un système condenseur 226 qui ramène dans la zone de régénération 220 la phase liquide résultant de la condensation des vapeurs de la solution absorbante entraînées hors de la zone de régénération avec le CO2. Le CO2 est ensuite comprimé dans l’unité de compression 30, représentée ici schématiquement par un unique compresseur mais pouvant comprendre un ou plusieurs étages de compresseurs, éventuellement soumis à une déshydratation 34, et est évacué de l’unité de compression 30 via la conduite 32. [072] During regeneration, the CO2 contained in the absorbent solution to be regenerated, maintained at boiling point, is released and stripped by the vapors of the absorbent solution. The CO2 leaves the regeneration zone at the top via a pipe 224 and is evacuated through a condenser system 226 which brings back into the regeneration zone 220 the liquid phase resulting from the condensation of the vapors of the absorbent solution entrained from the regeneration zone with the CO2. The CO2 is then compressed in the compression unit 30, represented here schematically by a single compressor but which may comprise one or more stages of compressors, possibly subjected to dehydration 34, and is evacuated from the compression unit 30 via the pipe 32.
[073] Une chaudière 40 permet de produire de la vapeur assurant le rebouillage de la solution absorbante à régénérer, la vapeur circulant dans un circuit fermé 42. Ce circuit 42 comprend typiquement une pompe 44 pour la circulation de l’eau dont le parcours est le suivant : la chaudière 40 produit de la vapeur d’eau qui est envoyée dans le rebouilleur 222 dans lequel des calories sont transférées à la solution absorbante à régénérer ce qui provoque la condensation de la vapeur d’eau. Cette vapeur d’eau condensée sortant du rebouilleur est renvoyée à la chaudière 40 grâce à la pompe 44. [074] En fond de la zone de régénération 220, on soutire la solution absorbante régénérée chaude et on recycle cette solution régénérée vers la zone d'absorption via une conduite 228 équipée d’une pompe 229, après avoir utilisé une partie des calories de cette solution pour réchauffer, par échange indirect de chaleur, ici via un échangeur[073] A boiler 40 makes it possible to produce steam ensuring the reboiling of the absorbent solution to be regenerated, the steam circulating in a closed circuit 42. This circuit 42 typically comprises a pump 44 for the circulation of the water, the path of which is as follows: the boiler 40 produces water vapor which is sent to the reboiler 222 in which calories are transferred to the absorbent solution to be regenerated, which causes the condensation of the water vapor. This condensed water vapor leaving the reboiler is returned to the boiler 40 thanks to the pump 44. [074] At the bottom of the regeneration zone 220, the hot regenerated absorbent solution is drawn off and this regenerated solution is recycled to the absorption zone via a pipe 228 equipped with a pump 229, after having used part of the calories of this solution to reheat, by indirect heat exchange, here via an exchanger
230 (aussi appelé économiseur), avec la solution à régénérer soutirée de la zone d'absorption avant son introduction dans la zone de régénération 220. Un condenseur230 (also called economizer), with the solution to be regenerated withdrawn from the absorption zone before its introduction into the regeneration zone 220. A condenser
231 permet de refroidir davantage la solution absorbante régénérée avant son introduction dans la zone d’absorption 210. 231 allows the regenerated absorbent solution to be further cooled before its introduction into the absorption zone 210.
[075] Selon l’invention, tel que représenté figure 1 et sur les figures 3 à 6, l’installation de captage de CO2 1 , comprenant une unité de capture 20, ici similaire à celle décrite en référence à la figure 2, comprend en outre une pompe à chaleur 50 comprenant une section de récupération de chaleur 52 et une section de distribution de chaleur 54 disposées de manière à réduire la consommation d’énergie nécessaire pour faire fonctionner l’unité de capture 20, et notamment l’unité de régénération 220 de cette unité de capture. [075] According to the invention, as shown in Figure 1 and in Figures 3 to 6, the CO2 capture installation 1, comprising a capture unit 20, here similar to that described with reference to Figure 2, further comprises a heat pump 50 comprising a heat recovery section 52 and a heat distribution section 54 arranged so as to reduce the energy consumption necessary to operate the capture unit 20, and in particular the regeneration unit 220 of this capture unit.
[076] L’invention n’est toutefois pas limitée à une unité de capture particulière, notamment du type décrit en référence à la figure 2, et peut s’appliquer à toute unité de capture existante pour produire tout ou partie de la vapeur nécessaire à la régénération de la solution absorbante ou au fonctionnement de l’unité de capture. [076] The invention is however not limited to a particular capture unit, in particular of the type described with reference to Figure 2, and can be applied to any capture unit. existing to produce all or part of the steam necessary for the regeneration of the absorbent solution or for the operation of the capture unit.
[077] Typiquement, chaque section de récupération 52 et distribution 54 de chaleur comprend au moins un échangeur de chaleur indirect 520, 540 respectivement, la pompe à chaleur comprenant en outre un circuit 51 dans lequel circule un fluide de travail, et traversant les sections de récupération 52 et de distribution 54. La pompe à chaleur 50 comprend également de manière usuelle au moins un compresseur 56, un seul sur les figures, et au moins un dispositif de détente 58 (orifice calibré, détendeur électronique, turbine, vanne semi-fermée, ...), un seul sur les figures. Le ou les compresseurs 56 peuvent être entrainés par un moteur électrique 57 (voir figure 4) ou par une turbine 59 (figures 3, 5, 6). Dans la présente invention, on considérera que la section de récupération 52 de la pompe à chaleur comprend uniquement l’au moins un échangeur de chaleur indirect 520, les autres éléments de la pompe à chaleur, notamment l’au moins un échangeur de chaleur indirect 540, le ou les compresseurs 56 et l’au moins un dispositif de détente 58, font partie de la section de distribution de chaleur 54 de la pompe à chaleur. Ces différents éléments ne sont pas représentés figure 1 par souci de simplification. Le fluide de travail peut être de l’eau, un hydrocarbure, notamment un alcane tel que le butane ou cyclopentane, un réfrigérant tel qu’une hydrofluorooléfine (appelée HFO), ou une hydrochlorofluorooléfine (appelée HCFO), un gaz tel que CO2, NH3, ou autre. [077] Typically, each heat recovery 52 and distribution 54 section comprises at least one indirect heat exchanger 520, 540 respectively, the heat pump further comprising a circuit 51 in which a working fluid circulates, and passing through the recovery 52 and distribution 54 sections. The heat pump 50 also usually comprises at least one compressor 56, only one in the figures, and at least one expansion device 58 (calibrated orifice, electronic expansion valve, turbine, semi-closed valve, etc.), only one in the figures. The compressor(s) 56 may be driven by an electric motor 57 (see figure 4) or by a turbine 59 (figures 3, 5, 6). In the present invention, it will be considered that the recovery section 52 of the heat pump comprises only the at least one indirect heat exchanger 520, the other elements of the heat pump, in particular the at least one indirect heat exchanger 540, the compressor(s) 56 and the at least one expansion device 58, are part of the heat distribution section 54 of the heat pump. These different elements are not shown in Figure 1 for the sake of simplification. The working fluid may be water, a hydrocarbon, in particular an alkane such as butane or cyclopentane, a refrigerant such as a hydrofluoroolefin (called HFO), or a hydrochlorofluoroolefin (called HCFO), a gas such as CO2, NH3, or other.
[078] Selon l’invention, la pompe à chaleur 50 récupère via la section de récupération de chaleur 52 une partie de la chaleur des gaz de combustion fournis en amont de l’unité de capture 20, et notamment de l’unité de séparation 210. En outre, la pompe à chaleur 50 distribue, via sa section de distribution de chaleur 54, de la chaleur utilisée (i) pour préchauffer de l’eau entrant dans la chaudière 40, ou (ii) pour produire une partie de la vapeur d’eau alimentant l’au moins un rebouilleur 222 ou (iii) pour chauffer la solution absorbante à régénérer dans l’unité de régénération 220. [078] According to the invention, the heat pump 50 recovers via the heat recovery section 52 a portion of the heat from the combustion gases supplied upstream of the capture unit 20, and in particular from the separation unit 210. In addition, the heat pump 50 distributes, via its heat distribution section 54, heat used (i) to preheat water entering the boiler 40, or (ii) to produce a portion of the water vapor supplying the at least one reboiler 222 or (iii) to heat the absorbent solution to be regenerated in the regeneration unit 220.
[079] Différents modes de réalisation possibles pour la récupération de la chaleur par la pompe et pour l’utilisation de la chaleur distribuée par la pompe à chaleur sont rassemblés figure 1 , sur laquelle les références suivantes désignent : [079] Different possible embodiments for the recovery of heat by the pump and for the use of the heat distributed by the heat pump are gathered in figure 1, in which the following references designate:
[080] B : section de récupération de la chaleur des gaz de combustion qui transfère (directement ou indirectement) la chaleur des gaz de combustion à la section de récupération de chaleur 52 de la pompe à chaleur 50, [080] B: flue gas heat recovery section which transfers (directly or indirectly) the heat from the flue gases to the heat recovery section 52 of the heat pump 50,
[081] 50 : pompe à chaleur 50 (aussi notée « PAC » 50) recevant la chaleur (6) provenant de la source chaude, de l’électricité (U1), un fluide froid à chauffer et produisant un fluide chaud chauffé (11), [081] 50: heat pump 50 (also noted “PAC” 50) receiving the heat (6) coming from the hot source, electricity (U1), a cold fluid to be heated and producing a heated hot fluid (11),
[082] 10 : conduite de fourniture des gaz de combustion, [082] 10: combustion gas supply line,
[083] 2 : conduite dans laquelle circulent les gaz de combustion refroidis par la section de récupération de chaleur, [084] 3 : conduite par laquelle sont évacués les gaz de combustion appauvris en CO2,[083] 2: pipe in which the combustion gases cooled by the heat recovery section circulate, [084] 3: pipe through which the combustion gases depleted in CO2 are evacuated,
[085] 4 : conduite dans laquelle circule le CO2 sortant de l’unité de capture 20, [085] 4: pipe in which the CO2 leaving the capture unit 20 circulates,
[086] 5 : conduite dans laquelle circule le CO2 comprimé sortant de l’unité de compression,[086] 5: pipe in which the compressed CO2 leaving the compression unit circulates,
[087] 7 : vapeur basse pression requise pour l’unité de régénération 220 de l’unité de capture[087] 7: low pressure steam required for regeneration unit 220 of the capture unit
20, 20,
[088] 8 : vapeur basse pression produite par au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur de la section de distribution de chaleur de la pompe à chaleur, lorsqu’une telle turbine est présente, [088] 8: low pressure steam produced by at least one turbine driving the at least one compressor of the heat distribution section of the heat pump, when such a turbine is present,
[089] 9 : vapeur condensée (provenant du rebouilleur de l’unité de régénération de l’unité de capture) réchauffée par son passage dans la section de distribution de chaleur, [089] 9: condensed steam (coming from the reboiler of the regeneration unit of the capture unit) heated by its passage in the heat distribution section,
[090] 11 : vapeur basse pression générée par la pompe à chaleur, [090] 11: low pressure steam generated by the heat pump,
[091] 12 : vapeur haute pression produite par la chaudière 40 lorsque celle-ci est une chaudière haute pression, cette vapeur haute pression alimentant au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur de la pompe à chaleur 50, lorsqu’une telle turbine est présente, [091] 12: high pressure steam produced by the boiler 40 when the latter is a high pressure boiler, this high pressure steam supplying at least one turbine driving the at least one compressor of the heat pump 50, when such a turbine is present,
[092] 13 : vapeur basse pression produite par la chaudière 40 lorsque celle-ci est une chaudière basse pression, [092] 13: low pressure steam produced by boiler 40 when the latter is a low pressure boiler,
[093] 14 : vapeur haute pression produite par la chaudière lorsque la chaudière est une chaudière à haute pression, cette vapeur haute pression alimentant au moins une turbine entrainant l’au moins un compresseur de l’unité de compression lorsqu’une telle turbine est présente, [093] 14: high pressure steam produced by the boiler when the boiler is a high pressure boiler, this high pressure steam supplying at least one turbine driving the at least one compressor of the compression unit when such a turbine is present,
[094] 15 : vapeur basse pression sortant de l’au moins une turbine de l’unité de compression lorsqu’elle est présente, [094] 15: low pressure steam leaving at least one turbine of the compression unit when present,
[095] 16 : gaz de combustion émis par la chaudière 40 lorsqu’elle est à combustion, ces gaz étant renvoyés dans la conduite 10 afin de capturer le CO2 qu’ils contiennent et de réduire l’empreinte CO2 de la chaudière et de la vapeur qu’elle produit, [095] 16: combustion gases emitted by the boiler 40 when it is in combustion, these gases being returned to the pipe 10 in order to capture the CO2 that they contain and to reduce the CO2 footprint of the boiler and the steam that it produces,
[096] 17 : vapeur condensée sortant du rebouilleur et renvoyée à la chaudière 40, [096] 17: condensed steam leaving the reboiler and returned to boiler 40,
[097] U1 : électricité alimentant le moteur du compresseur de la pompe à chaleur ou la chaudière lorsqu’elle est électrique, [097] U1: electricity supplying the heat pump compressor motor or the boiler when it is electric,
[098] U2 : combustible alimentant la chaudière lorsqu’elle est à combustion, par exemple du gaz, [098] U2: fuel supplying the boiler when it is combustion, for example gas,
[099] U3 : vapeur importée (optionnel), [099] U3: imported steam (optional),
[100] U4 : eau refroidissement (pour le ou les systèmes de refroidissement de l’unité de capture. [100] U4: cooling water (for the capture unit cooling system(s).
[101] La section B reçoit des calories, typiquement via un échangeur avec une source de chaleur, de gaz de combustion dont le CO2 doit être capturé, et optionnellement d’une autre source de chaleur fatale disponible sur le site à proximité. L’apport principal de chaleur est constitué par les gaz de combustion provenant d’unités en amont. Les gaz de combustion refroidis 2 sont ensuite exportés vers l’unité de capture 20. La chaleur extraite est transférée à la section de distribution de chaleur 54 de la pompe à chaleur. [101] Section B receives heat, typically via an exchanger with a heat source, from flue gases from which CO2 must be captured, and optionally from another waste heat source available on the nearby site. The main heat input is flue gases from upstream units. The gases cooled combustion gases 2 are then exported to the capture unit 20. The extracted heat is transferred to the heat distribution section 54 of the heat pump.
[102] La récupération de la chaleur au niveau de la section B1 peut se faire de différentes manières, par exemple dans un échangeur de chaleur avec le gaz de combustion, dans une enceinte dédiée où l'eau sert de fluide de refroidissement par contact direct et où la chaleur est récupérée de l'eau vers la pompe à chaleur, ou via une enceinte d’une unité de refroidissement par contact direct habituellement présente dans une unité de capture 20, ou encore via un circuit de refroidissement dédié recevant des calories des gaz de combustion. Ces différentes modes de réalisation sont décrits plus bas en référence aux figures 3 à 6. [102] Heat recovery at section B1 can be done in different ways, for example in a heat exchanger with the combustion gas, in a dedicated enclosure where water serves as a cooling fluid by direct contact and where the heat is recovered from the water to the heat pump, or via an enclosure of a direct contact cooling unit usually present in a capture unit 20, or even via a dedicated cooling circuit receiving calories from the combustion gases. These different embodiments are described below with reference to Figures 3 to 6.
[103] L'unité 20 de capture du CO2 est typiquement une unité de capture utilisant une solution absorbante du type décrit en référence à la figure 2. Cette unité comprend généralement une unité de trempe (par exemple sous la forme d'un refroidisseur à contact direct, DCC (Direct Contact Coder) pour refroidir les gaz de combustion. Les gaz de combustion refroidis saturés en eau sont ensuite envoyés dans l’unité d'absorption où la solution absorbante, éventuellement régénérée, capture le CO2. Les gaz de combustion appauvris en CO2 (3) sont ensuite envoyés dans l'atmosphère. La solution absorbante à régénérer est envoyée dans l’unité de régénération pour récupérer le CO2 capturé (4) et régénérer la solution. Cette opération nécessite de la chaleur qui est normalement utilisée sous forme de vapeur. Cette vapeur peut être fournie soit par la pompe à chaleur 50 via la ligne (11), soit par la chaudière 40 via la ligne (12) et/ou par des sources externes U4. [103] The CO2 capture unit 20 is typically a capture unit using an absorbent solution of the type described with reference to Figure 2. This unit generally comprises a quenching unit (for example in the form of a direct contact cooler, DCC (Direct Contact Coder)) to cool the flue gases. The cooled flue gases saturated with water are then sent to the absorption unit where the absorbent solution, possibly regenerated, captures the CO2. The CO2-depleted flue gases (3) are then sent to the atmosphere. The absorbent solution to be regenerated is sent to the regeneration unit to recover the captured CO2 (4) and regenerate the solution. This operation requires heat which is normally used in the form of steam. This steam can be supplied either by the heat pump 50 via line (11), or by the boiler 40 via line (12) and/or by external sources U4.
[104] La section de récupération de chaleur 52 peut être intégrée à l’unité de trempe de l’unité de capture 20. Cela permet d'augmenter le coefficient de transfert de chaleur et de réduire la taille des échangeurs de chaleur. Dans ce cas, l’unité de trempe peut comprendre un système de refroidissement dédié avec une température plus élevée ce qui permet de minimiser la réhausse de température que la pompe à chaleur doit réaliser et ainsi de maximiser le Coefficient de Performance (COP) de la pompe à chaleur, tel que décrit plus bas en référence aux figures 4 et 6. Le fluide de refroidissement de ce système de refroidissement dédié peut avoir une température supérieure à 60 °C, de préférence supérieure à 70 °C, et de préférence supérieure à 80 °C, typiquement de 60 °C à 90 °C. [104] The heat recovery section 52 may be integrated into the quenching unit of the capture unit 20. This makes it possible to increase the heat transfer coefficient and to reduce the size of the heat exchangers. In this case, the quenching unit may include a dedicated cooling system with a higher temperature which makes it possible to minimize the temperature rise that the heat pump must achieve and thus to maximize the Coefficient of Performance (COP) of the heat pump, as described below with reference to Figures 4 and 6. The cooling fluid of this dedicated cooling system may have a temperature above 60°C, preferably above 70°C, and preferably above 80°C, typically from 60°C to 90°C.
[105] La section de distribution de chaleur 54 de la pompe à chaleur reçoit la chaleur provenant des gaz de combustion, de l'électricité (U1) et/ou de la vapeur haute pression (12) pour l'équipement rotatif (turbine(s) éventuellement présente(s) pour entrainer le(s) compresseur(s) de la pompe à chaleur). La chaleur produite par cette section de distribution 54 peut être de la vapeur HP qui pourra être utilisée pour les équipements rotatifs (turbines) et ensuite pour la régénération de la solution absorbante (8), ou préférentiellement de la vapeur BP (11) qui sera utilisée pour la régénération de la solution absorbante, ou encore de la chaleur intégrée à la chaudière pour réduire sa consommation de combustible, typiquement du gaz naturel, ou réduire sa consommation électrique dans le cas d’une chaudière électrique. La section de distribution de chaleur 54 peut être intégrée sous différentes formes à la chaudière 40, soit comme préchauffeur ou refroidisseur intermédiaire dans la chaudière (tel que décrit en référence aux figures 3, 5, 6), soit comme unité parallèle pour produire de la chaleur/vapeur afin de réduire le fonctionnement de la chaudière (tel que décrit en référence à la figure 4). Dans ce cas, la vapeur produite sera utilisée principalement pour la régénération de la solution absorbante dans l’unité de capture 20. Un agencement possible consiste également à utiliser l'énergie mécanique produite par l'expansion de la vapeur HP (14) produite par la chaudière pour entraîner un compresseur ou une pompe de l’unité 30 de compression de CO2 à l'aide d'un turbocompresseur ou d'un système de turbopompe. Toutefois, cet agencement peut, dans certains cas, entraîner des difficultés de mise en œuvre. Le fonctionnement de la chaudière 40 est optimal lorsqu'elle est aussi proche que possible de l’unité de capture 20, et en particulier de l’unité de régénération. Lorsque l’unité de compression 30 ne peut pas être mise en œuvre à côté de l’unité de capture 20, pour des raisons de disponibilité des parcelles, ce qui peut souvent se produire dans les projets concernant des raffineries existantes, il faut alors envisager une conduite de vapeur HP ou un flux de CO2 avant/pendant/après la compression, ce qui entraîne des coûts significatifs. D'autre part, la section de distribution de chaleur 54 est de préférence proche de l’unité de capture 20, car elle produit la vapeur pour l’unité de régénération. Par conséquent, une configuration dans laquelle une pompe à chaleur 50 fournit une partie de l’énergie de régénération sous forme de vapeur en complément d'une chaudière à gaz 40 offre l'opportunité de mettre en œuvre un entraînement mécanique direct avec un coût réduit par rapport à une configuration sans pompe à chaleur. [105] The heat distribution section 54 of the heat pump receives heat from the combustion gases, electricity (U1) and/or high pressure steam (12) for the rotating equipment (turbine(s) possibly present to drive the compressor(s) of the heat pump). The heat produced by this distribution section 54 can be HP steam which can be used for the rotating equipment (turbines) and then for the regeneration of the absorbent solution (8), or preferably LP steam (11) which will be used for the regeneration of the absorbent solution, or even heat integrated into the boiler to reduce its fuel consumption, typically natural gas, or reduce its electricity consumption in the case of an electric boiler. The heat distribution section 54 can be integrated in different forms into the boiler 40, either as a preheater or intercooler in the boiler (as described with reference to Figures 3, 5, 6), or as a parallel unit to produce heat/steam to reduce the operation of the boiler (as described with reference to Figure 4). In this case, the steam produced will be used mainly for the regeneration of the absorbent solution in the capture unit 20. A possible arrangement also consists of using the mechanical energy produced by the expansion of the HP steam (14) produced by the boiler to drive a compressor or a pump of the CO2 compression unit 30 using a turbocharger or a turbopump system. However, this arrangement may, in certain cases, lead to implementation difficulties. The operation of the boiler 40 is optimal when it is as close as possible to the capture unit 20, and in particular to the regeneration unit. When the compression unit 30 cannot be implemented next to the capture unit 20, for reasons of land availability, which can often occur in projects concerning existing refineries, then an HP steam line or a CO2 flow before/during/after compression must be considered, which entails significant costs. On the other hand, the heat distribution section 54 is preferably close to the capture unit 20, since it produces the steam for the regeneration unit. Therefore, a configuration in which a heat pump 50 provides part of the regeneration energy in the form of steam in addition to a gas boiler 40 offers the opportunity to implement a direct mechanical drive with a reduced cost compared to a configuration without a heat pump.
[106] La chaudière 40 produit la chaleur nécessaire à la régénération de la solution absorbante, et éventuellement l’énergie requise pour l'équipement rotatif. La vapeur nécessaire à la régénération de la solution absorbante est de la vapeur basse pression (7), par ex. à une pression absolue de 0,2 à 1 ,2 MPa, de préférence de 0,4 à 0,6 MPa. Dans un mode de réalisation de la présente invention, cette chaudière produit de la vapeur HP, par ex. à une pression absolue supérieure à 2 MPa, de préférence supérieure à 5 MPa, par exemple de 4 MPa à 13,5 MPa. Cette vapeur sera d'abord utilisée pour faire tourner l'équipement rotatif de compression du CO2 (14) et de la pompe à chaleur (12). La vapeur à la sortie des turbines sera à l'état de vapeur basse pression (15) (8). Cette vapeur basse pression sera ensuite utilisée pour la régénération de la solution absorbante. Une autre possibilité consiste à utiliser la vapeur BP ou MP pour faire tourner l'équipement rotatif de la pompe à chaleur. Une vapeur MP peut être produite et être utilisée pour la régénération de la solution absorbante. A cet effet, on pourra prévoir d’envoyer de la vapeur BP à une section de compression pour produire une vapeur MP, par exemple un système de compression de vapeur d’eau, avant de l’envoyer au rebouilleur de l’unité de régénération. Cette vapeur MP peut également être utilisée pour la rotation de l'équipement rotatif de la pompe à chaleur. [106] The boiler 40 produces the heat necessary for the regeneration of the absorbent solution, and possibly the energy required for the rotating equipment. The steam necessary for the regeneration of the absorbent solution is low pressure steam (7), e.g. at an absolute pressure of 0.2 to 1.2 MPa, preferably 0.4 to 0.6 MPa. In one embodiment of the present invention, this boiler produces HP steam, e.g. at an absolute pressure greater than 2 MPa, preferably greater than 5 MPa, e.g. 4 MPa to 13.5 MPa. This steam will first be used to rotate the rotating CO2 compression equipment (14) and the heat pump (12). The steam at the outlet of the turbines will be in the state of low pressure steam (15) (8). This low pressure steam will then be used for the regeneration of the absorbent solution. Another possibility is to use LP or MP steam to drive the heat pump's rotating equipment. MP steam can be produced and used for solution regeneration. absorbent. For this purpose, LP steam can be sent to a compression section to produce MP steam, for example a water vapor compression system, before sending it to the reboiler of the regeneration unit. This MP steam can also be used to rotate the rotating equipment of the heat pump.
[107] La chaudière 40 peut être décarbonée soit grâce à l’unité de capture 20, soit en utilisant un système d'oxy-combustion où l'air est remplacé par de l'oxygène. Dans ce cas, la sortie sera riche en CO2 et H2O et peut être envoyée dans l’unité de compression 30 directement, éventuellement après une étape de prétraitement en fonction sur la qualité du combustible. Dans une autre variante, le combustible de la chaudière peut être entièrement ou partiellement remplacé par du H2 décarboné. Dans ces cas-là, la mise en œuvre de la pompe à chaleur selon l’invention permet de réduire les coûts opératoires. La présence d'une chaudière dans l’installation améliore la disponibilité et la flexibilité globales de l’installation grâce au fait qu'elle propose une source alternative de vapeur. Ce cas de fonctionnement est potentiellement à un taux de vapeur plus faible car la pompe à chaleur ne fonctionnera pas entièrement ou partiellement. [107] The boiler 40 can be decarbonized either by the capture unit 20 or by using an oxy-combustion system where the air is replaced by oxygen. In this case, the output will be rich in CO2 and H2O and can be sent to the compression unit 30 directly, possibly after a pretreatment step depending on the quality of the fuel. In another variant, the fuel of the boiler can be entirely or partially replaced by decarbonized H2. In these cases, the implementation of the heat pump according to the invention makes it possible to reduce operating costs. The presence of a boiler in the installation improves the overall availability and flexibility of the installation thanks to the fact that it offers an alternative source of steam. This operating case is potentially at a lower steam rate because the heat pump will not operate entirely or partially.
[108] L’unité de compression 30 du CO2 comprend typiquement des compresseurs et éventuellement des pompes. Ces équipements peuvent avantageusement être partiellement ou totalement entraînés par des turbines qui utilisent la vapeur HP (14) produite par la chaudière et/ou la pompe à chaleur comme décrit ci-dessus. La vapeur n'est pas entièrement exploitée par les turbines et sort de celles-ci sous forme de vapeur BP (15) et éventuellement de vapeur MP (non représentée sur le schéma). Il convient de noter que la compression du CO2 génère de la chaleur qui peut être utilisée comme source de chaleur supplémentaire pouvant être récupérée par la section de récupération de la pompe à chaleur. [108] The CO2 compression unit 30 typically comprises compressors and possibly pumps. These devices can advantageously be partially or totally driven by turbines which use the HP steam (14) produced by the boiler and/or the heat pump as described above. The steam is not entirely exploited by the turbines and leaves them in the form of LP steam (15) and possibly MP steam (not shown in the diagram). It should be noted that the compression of CO2 generates heat which can be used as an additional heat source which can be recovered by the recovery section of the heat pump.
[109] Les avantages de cette invention sont les suivants : [109] The advantages of this invention are as follows:
[110] - Réduction de la consommation globale d'électricité et de combustible alimentant la chaudière (typiquement du gaz naturel) dans une unité de capture du CO2 grâce à la chaleur supplémentaire récupérée par la pompe à chaleur et à l'utilisation de vapeur à haute énergie pour les compresseurs et de vapeur basse pression à faible énergie provenant de la turbine pour la régénération de la solution absorbante. Cela permet de réduire l'empreinte carbone et énergétique de l’unité de capture du CO2 par une solution absorbante. [110] - Reduction of the overall consumption of electricity and fuel supplying the boiler (typically natural gas) in a CO2 capture unit thanks to the additional heat recovered by the heat pump and the use of high-energy steam for the compressors and low-energy low-pressure steam from the turbine for the regeneration of the absorbent solution. This allows to reduce the carbon and energy footprint of the CO2 capture unit by an absorbent solution.
[111] - L'utilisation d'une pompe à chaleur permet de réduire la température des gaz de combustion en dessous de la température d'origine. Cela permet de réduire les besoins en eau de refroidissement de l’unité de trempe et donc de réaliser des économies de CAPEX et d'OPEX. [111] - The use of a heat pump allows the temperature of the flue gases to be reduced below the original temperature. This reduces the cooling water requirements of the quenching unit and therefore saves CAPEX and OPEX.
[112] - Il est possible d'optimiser la taille des unités de récupération de chaleur dans le cas de turbines à cycles combinés ou de turbines à vapeur avec unité de récupération de chaleur. Dans ce cas, grâce au fait que la pompe à chaleur permet de récupérer l'énergie des gaz de combustion, la température de sortie d’une unité HRSG (générateur de vapeur à récupération de chaleur) peut être ajustée de manière à optimiser l'ensemble des surfaces de transfert de chaleur et donc à réduire la taille et le coût de l'unité HRSG. [112] - It is possible to optimize the size of heat recovery units in the case of combined cycle turbines or steam turbines with heat recovery unit heat. In this case, thanks to the fact that the heat pump can recover energy from the flue gases, the outlet temperature of an HRSG (heat recovery steam generator) unit can be adjusted to optimize the overall heat transfer surfaces and therefore reduce the size and cost of the HRSG unit.
[113] - L'utilisation de vapeur à bas carbone permet de réduire les émissions qui auraient été induites par l'utilisation de l'électricité. [113] - The use of low-carbon steam makes it possible to reduce the emissions that would have been induced by the use of electricity.
[114] A noter que la chaudière utilisée dans la présente invention peut être une chaudière électrique ou une chaudière à combustion ou une chaudière à oxy-combustion. [114] Note that the boiler used in the present invention may be an electric boiler or a combustion boiler or an oxy-combustion boiler.
[115] Des exemples de réalisation des différents modes de réalisation de la récupération de chaleur via la section de récupération de chaleur 52 sont décrits ci-après en référence aux figures 3 à 6. [115] Exemplary embodiments of the various embodiments of heat recovery via the heat recovery section 52 are described below with reference to FIGS. 3 to 6.
[116] Des exemples de réalisation de différents modes de réalisation de la distribution de chaleur par la pompe à chaleur sont également décrits ci-après en référence aux figures 3 à 6. [116] Exemplary embodiments of different embodiments of heat distribution by the heat pump are also described below with reference to Figures 3 to 6.
[117] Ces différents modes de réalisation de la récupération de chaleur et de la distribution de chaleur peuvent être combinés les uns avec les autres selon l’objectif recherché. Deux ou plusieurs pompes à chaleur peuvent alors être prévues. [117] These different embodiments of heat recovery and heat distribution can be combined with each other depending on the desired objective. Two or more heat pumps can then be provided.
[118] Dans ces différents exemples, l’unité de compression 30 comprend au moins une turbine 36 permettant d’entrainer le(s) compresseur(s) et pompe(s) de l’unité de compression. Cette turbine 36 est entrainée par de la vapeur HP produite par la chaudière 40. En sortie de la turbine 36, la vapeur BP est renvoyée au rebouilleur de l’unité de capture. Bien que cela ne soit pas préféré, la chaudière 40 peut alternativement produire uniquement de la vapeur BP qui est alors envoyée directement au rebouilleur. La turbine 36 est alors absente et remplacée par un moteur (comme représenté figure 2) ou alimentée par une vapeur HP d’une autre origine. [118] In these different examples, the compression unit 30 comprises at least one turbine 36 for driving the compressor(s) and pump(s) of the compression unit. This turbine 36 is driven by HP steam produced by the boiler 40. At the outlet of the turbine 36, the LP steam is returned to the reboiler of the capture unit. Although this is not preferred, the boiler 40 can alternatively produce only LP steam which is then sent directly to the reboiler. The turbine 36 is then absent and replaced by a motor (as shown in Figure 2) or powered by HP steam from another source.
[119] Récupération de chaleur des gaz de combustion par la pompe à chaleur [119] Heat recovery from combustion gases by heat pump
[120] Dans un premier mode de réalisation représenté figure 3, l’échangeur de chaleur 520 de la section de récupération de chaleur 52 de la pompe à chaleur est monté directement sur la conduite de fourniture 10 en amont de l’unité de séparation 210, et en particulier en amont de l’unité de refroidissement 200 et de son contacteur 201. [120] In a first embodiment shown in Figure 3, the heat exchanger 520 of the heat recovery section 52 of the heat pump is mounted directly on the supply pipe 10 upstream of the separation unit 210, and in particular upstream of the cooling unit 200 and its contactor 201.
[121] Dans un deuxième mode de réalisation représenté en traits pointillés figure 3, l’échangeur de chaleur 520’ de la section de récupération de chaleur 52 de la pompe à chaleur est monté sur une conduite d’un circuit de refroidissement 202’ au lieu d’être monté directement sur la conduite 10 des gaz de combustion (dans ce deuxième mode de réalisation, 520 est omis et remplacé par 520’, le circuit 51 passant uniquement par 520’). Ce circuit de refroidissement 202’ des gaz de combustion est situé en amont de l’unité de séparation 210 par rapport à la circulation des gaz, de préférence en amont de tout autre système de refroidissement. Ce circuit de refroidissement 202’ forme une boucle fermée dans lequel circule un fluide chaud, typiquement de l’eau, recevant la chaleur des fumées de combustion par transfert de chaleur via un échangeur de chaleur indirect 205 monté sur la conduite 10 des gaz de combustion. [121] In a second embodiment shown in dotted lines in Figure 3, the heat exchanger 520' of the heat recovery section 52 of the heat pump is mounted on a pipe of a cooling circuit 202' instead of being mounted directly on the combustion gas pipe 10 (in this second embodiment, 520 is omitted and replaced by 520', the circuit 51 passing only through 520'). This combustion gas cooling circuit 202' is located upstream of the separation unit 210 with respect to the circulation of the gases, preferably upstream of any other cooling system. This cooling circuit 202' forms a closed loop in which a hot fluid, typically water, circulates, receiving heat from the combustion fumes by heat transfer via an indirect heat exchanger 205 mounted on the combustion gas pipe 10.
[122] Dans un mode de réalisation, deux pompes à chaleur peuvent être prévues, l’une récupérant la chaleur directement sur la conduite de fourniture 10 en amont de l’unité de séparation 210 et l’autre récupérant la chaleur sur une conduite d’un circuit de refroidissement 202’ tel que décrit ci-dessus ou d’un circuit de refroidissement 201a ou 202a tel que décrit ci-dessous. [122] In one embodiment, two heat pumps may be provided, one recovering heat directly from the supply line 10 upstream of the separation unit 210 and the other recovering heat from a line of a cooling circuit 202' as described above or of a cooling circuit 201a or 202a as described below.
[123] Dans un troisième mode de réalisation représenté figures 4 - 6, l’échangeur de chaleur 520 de la section de récupération de chaleur de la pompe à chaleur est monté sur une conduite d’un circuit de refroidissement 202a d’un système de refroidissement 201 ou 203 des gaz de combustion situé en amont de l’unité de séparation 210 par rapport à la circulation des gaz. Cette récupération de chaleur peut être réalisée selon deux variantes. [123] In a third embodiment shown in Figures 4 - 6, the heat exchanger 520 of the heat recovery section of the heat pump is mounted on a pipe of a cooling circuit 202a of a system 201 or 203 for cooling the combustion gases located upstream of the separation unit 210 with respect to the circulation of the gases. This heat recovery can be carried out according to two variants.
[124] Dans la variante représentée figures 4 et 6, l’unité de refroidissement 200 de l’unité de capture 20 comprend un premier système de refroidissement 201a et un deuxième système de refroidissement 201b montés en série en amont de l’unité de séparation, chacun de ces systèmes de refroidissement comprenant un circuit de refroidissement, 202a et 202b respectivement, équipés chacun d’une pompe 204a, 204b. Le circuit de refroidissement 202b du deuxième système de refroidissement 201b comprend en outre un condenseur 206. Dans cette variante, l’échangeur de chaleur 520 de la pompe à chaleur est monté sur le circuit de refroidissement 201a du premier système de refroidissement 201 , en sortie du système de refroidissement par rapport au sens de circulation du fluide de refroidissement et sert ainsi de condenseur. Ainsi, le fluide de refroidissement réchauffé par son passage dans le premier système de refroidissement 201a transfère des calories au fluide de travail de la pompe à chaleur via l’échangeur de chaleur 520, ce qui provoque sa condensation, puis est renvoyé dans le système de refroidissement 201a. [124] In the variant shown in Figures 4 and 6, the cooling unit 200 of the capture unit 20 comprises a first cooling system 201a and a second cooling system 201b mounted in series upstream of the separation unit, each of these cooling systems comprising a cooling circuit, 202a and 202b respectively, each equipped with a pump 204a, 204b. The cooling circuit 202b of the second cooling system 201b further comprises a condenser 206. In this variant, the heat exchanger 520 of the heat pump is mounted on the cooling circuit 201a of the first cooling system 201, at the outlet of the cooling system relative to the direction of circulation of the cooling fluid and thus serves as a condenser. Thus, the cooling fluid heated by its passage through the first cooling system 201a transfers calories to the working fluid of the heat pump via the heat exchanger 520, which causes it to condense, then is returned to the cooling system 201a.
[125] Dans la variante représentée figure 5, l’unité de refroidissement 200 de l’unité de capture 20 comprend un unique système de refroidissement 201 en amont de l’unité de séparation 210. Ce système de refroidissement 201 comprend ici deux étages de refroidissement, un étage inférieur 203a comprenant un premier circuit de refroidissement 202a équipé d’une pompe 204a et un étage supérieur 203b comprenant un autre circuit de refroidissement 202b équipé d’une pompe 204b et d’un condenseur 206, distinct du premier circuit de refroidissement. A noter que l’invention n’est pas limitée par le nombre d’étages de refroidissement de l’unique système de refroidissement, lequel pourrait comprendre trois ou plus étages de refroidissement. On pourra alors prévoir un seul circuit de refroidissement pour les étages supérieurs. Dans la variante de la figure 5, l’échangeur de chaleur 520 de la section de récupération de chaleur est monté sur le premier circuit de refroidissement 202a de l’étage inférieur du système de refroidissement, en sortie du système de refroidissement 201 , par rapport au sens de circulation du fluide de refroidissement et sert ainsi à condenser celui-ci en sortie du premier étage de refroidissement 203a. Ainsi, le fluide de refroidissement réchauffé par son passage dans le premier étage 203a du système de refroidissement 201 transfère des calories au fluide de travail de la pompe à chaleur via l’échangeur de chaleur 520, ce qui provoque sa condensation, puis est renvoyé dans le premier étage 203a du système de refroidissement 201. En général, les gaz de combustion entrent dans le système de refroidissement 201 par l’étage le plus bas et circulent de bas en haut. [125] In the variant shown in Figure 5, the cooling unit 200 of the capture unit 20 comprises a single cooling system 201 upstream of the separation unit 210. This cooling system 201 here comprises two cooling stages, a lower stage 203a comprising a first cooling circuit 202a equipped with a pump 204a and an upper stage 203b comprising another cooling circuit 202b equipped with a pump 204b and a condenser 206, separate from the first cooling circuit. Note that the invention is not limited by the number of cooling stages of the single cooling system, which could comprise three or more cooling stages. A single cooling circuit could then be provided for the upper stages. In the variant of Figure 5, the heat exchanger 520 of the section of heat recovery is mounted on the first cooling circuit 202a of the lower stage of the cooling system, at the outlet of the cooling system 201, relative to the direction of circulation of the cooling fluid and thus serves to condense the latter at the outlet of the first cooling stage 203a. Thus, the cooling fluid heated by its passage in the first stage 203a of the cooling system 201 transfers calories to the working fluid of the heat pump via the heat exchanger 520, which causes it to condense, then is returned to the first stage 203a of the cooling system 201. In general, the combustion gases enter the cooling system 201 through the lowest stage and circulate from bottom to top.
[126] Typiquement, dans les différents modes de réalisation, les fluides de refroidissement sont de l’eau, comprenant éventuellement des additifs aptes à réduire la corrosion, et le système de refroidissement est un contacteur gaz-liquide ou « direct Contact Coder » à plusieurs étages, pouvant comprendre un ou plusieurs lits comprenant chacun un ou plusieurs garnissages internes, structurés ou non. L’invention n’est toutefois pas limitée à ce type de système de refroidissement ou de fluide de refroidissement et l’on pourra utiliser tout système de refroidissement habituellement utilisé dans des installations de capture du CO2. [126] Typically, in the various embodiments, the cooling fluids are water, possibly comprising additives capable of reducing corrosion, and the cooling system is a multi-stage gas-liquid contactor or “direct Contact Coder”, which may comprise one or more beds each comprising one or more internal linings, structured or not. The invention is however not limited to this type of cooling system or cooling fluid and any cooling system usually used in CO2 capture installations may be used.
[127] Les deuxième et troisième modes de réalisation permettent de réduire les dimensions de la section de récupération de chaleur, et notamment de l’échangeur de chaleur, de la pompe à chaleur par rapport au premier mode de réalisation. [127] The second and third embodiments make it possible to reduce the dimensions of the heat recovery section, and in particular of the heat exchanger, of the heat pump compared to the first embodiment.
[128] Distribution de chaleur produite par la pompe à chaleur [128] Distribution of heat produced by the heat pump
[129] Dans un premier mode de réalisation représenté figures 3, 5 et 6, la chaleur distribuée par la section de distribution de chaleur peut être utilisée pour préchauffer l’eau entrant dans la chaudière 40. [129] In a first embodiment shown in Figures 3, 5 and 6, the heat distributed by the heat distribution section can be used to preheat the water entering the boiler 40.
[130] Dans les modes de réalisation représentés sur ces figures, l’installation 1 comprend un circuit fermé 42 dans lequel l’eau suit le chemin suivant : l’eau sortant du rebouilleur 222 est réchauffée par passage au travers de l’échangeur de chaleur 540 de la section de distribution de chaleur de la pompe à chaleur, puis entre dans la chaudière 40 dans laquelle elle est vaporisée, ici à haute pression, la vapeur haute pression produite par la chaudière 40 alimente ensuite une turbine 36 de l’unité de compression afin d’entrainer le compresseur de celle-ci, et ressort de la turbine 36 à basse pression avant d’entrer à nouveau dans le rebouilleur 222. Ce circuit fermé comprend typiquement une pompe 44 pour assurer la circulation de l’eau, généralement positionnée en amont de l’entrée de la chaudière 40, entre la sortie du rebouilleur 222 et l’entrée de la chaudière 40. [130] In the embodiments shown in these figures, the installation 1 comprises a closed circuit 42 in which the water follows the following path: the water leaving the reboiler 222 is reheated by passing through the heat exchanger 540 of the heat distribution section of the heat pump, then enters the boiler 40 in which it is vaporized, here at high pressure, the high pressure steam produced by the boiler 40 then feeds a turbine 36 of the compression unit in order to drive the compressor thereof, and leaves the turbine 36 at low pressure before entering the reboiler 222 again. This closed circuit typically comprises a pump 44 to ensure the circulation of the water, generally positioned upstream of the inlet of the boiler 40, between the outlet of the reboiler 222 and the inlet of the boiler 40.
[131] Dans l’exemple, l’échangeur de chaleur 540 est avantageusement disposé entre la pompe 44 et l’entrée de la chaudière 40. [132] Dans une variante non représentée, la chaudière 40 peut produire de la vapeur BP. Dans ce cas, la vapeur basse pression de la chaudière est envoyée directement au rebouilleur 222. Le compresseur de l’unité de compression n’est alors pas entrainé par une turbine, ou alors la vapeur nécessaire au fonctionnement de la turbine est produite par ailleurs. Cette variante n’est toutefois pas préférée. [131] In the example, the heat exchanger 540 is advantageously arranged between the pump 44 and the inlet of the boiler 40. [132] In a variant not shown, the boiler 40 can produce LP steam. In this case, the low pressure steam from the boiler is sent directly to the reboiler 222. The compressor of the compression unit is then not driven by a turbine, or the steam necessary for the operation of the turbine is produced elsewhere. This variant is not preferred, however.
[133] Dans tous les cas, le préchauffage de l’eau entrant dans la chaudière 40 permet de réduire la quantité d’énergie à fournir par la chaudière pour produire de la vapeur (basse ou haute pression). Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque la chaudière est électrique. [133] In all cases, preheating the water entering the boiler 40 makes it possible to reduce the amount of energy to be supplied by the boiler to produce steam (low or high pressure). This embodiment is particularly advantageous when the boiler is electric.
[134] Dans un deuxième mode de réalisation représenté figure 4, la chaleur distribuée par la section de distribution de chaleur via l’échangeur de chaleur 540 est utilisée pour produire de la vapeur. [134] In a second embodiment shown in Figure 4, the heat distributed by the heat distribution section via the heat exchanger 540 is used to produce steam.
[135] Dans ce mode de réalisation, l’installation comprend également le circuit fermé 42 décrit en référence au premier mode de réalisation. Elle comprend en outre une conduite de dérivation 46 dont une extrémité est raccordée sur le circuit fermé 42 en sortie du rebouilleur 222 et en amont de la chaudière 40, et dont l’autre extrémité est raccordée sur le circuit fermé 42 à l’entrée du rebouilleur 222 et en aval de la turbine 36 (et donc de la chaudière 40). A noter que ce mode de réalisation peut aussi s’appliquer dans le cas d’une chaudière 40 produisant de la vapeur basse pression, le circuit fermé 42 ne passant alors pas par la turbine 36. [135] In this embodiment, the installation also comprises the closed circuit 42 described with reference to the first embodiment. It further comprises a bypass pipe 46, one end of which is connected to the closed circuit 42 at the outlet of the reboiler 222 and upstream of the boiler 40, and the other end of which is connected to the closed circuit 42 at the inlet of the reboiler 222 and downstream of the turbine 36 (and therefore of the boiler 40). Note that this embodiment can also be applied in the case of a boiler 40 producing low-pressure steam, the closed circuit 42 then not passing through the turbine 36.
[136] Cette conduite de dérivation 46 peut en outre comprendre une pompe 47 pour la circulation de la vapeur condensée sortant du rebouilleur 222. [136] This bypass line 46 may further comprise a pump 47 for circulating the condensed steam leaving the reboiler 222.
[137] Ce mode de réalisation permet de réduire le dimensionnement de la chaudière dans la mesure où seule une partie de l’eau circulant dans le circuit fermé circule au travers de la chaudière. [137] This embodiment makes it possible to reduce the size of the boiler since only part of the water circulating in the closed circuit circulates through the boiler.
[138] Enfin, dans une variante non représentée, on pourra prévoir un transfert de calories du fluide de travail de la pompe à chaleur à la solution absorbante à régénérer via l’échangeur de chaleur 540 de la section de distribution de la pompe à chaleur. [138] Finally, in a variant not shown, it will be possible to provide for a transfer of calories from the working fluid of the heat pump to the absorbent solution to be regenerated via the heat exchanger 540 of the distribution section of the heat pump.
[139] Les différents modes de récupération de la chaleur par la pompe à chaleur et de distribution de chaleur peuvent être combinés selon l’objectif recherché. Les figures 3 à 6 correspondent à certaines de ces combinaisons. [139] The different modes of heat recovery by the heat pump and heat distribution can be combined depending on the desired objective. Figures 3 to 6 correspond to some of these combinations.
[140] Par ailleurs, quel que soit le mode de réalisation, l’au moins un compresseur 56 de la pompe à chaleur peut être entrainé par un moteur 57 (fig. 4) ou par une turbine 59 (fig.3, 5, 6). Dans ce dernier cas, il est particulièrement avantageux d’alimenter la(les) turbine(s) 59 par de la vapeur haute pression produite par la chaudière 40, la vapeur BP sortant de la (des) turbine(s) 59 étant alors renvoyée en entrée du rebouilleur 222, tel que représenté sur ces figures. [141] En outre, dans les différents modes de réalisation, lorsque la chaudière 40 est une chaudière à combustion, on pourra envoyer les gaz de combustion de la chaudière à l’unité de capture 20 via une conduite 60, équipée ici d’un ventilateur 62. [140] Furthermore, whatever the embodiment, the at least one compressor 56 of the heat pump can be driven by a motor 57 (fig. 4) or by a turbine 59 (fig. 3, 5, 6). In the latter case, it is particularly advantageous to supply the turbine(s) 59 with high-pressure steam produced by the boiler 40, the LP steam leaving the turbine(s) 59 then being returned to the inlet of the reboiler 222, as shown in these figures. [141] Furthermore, in the various embodiments, when the boiler 40 is a combustion boiler, the combustion gases from the boiler can be sent to the capture unit 20 via a pipe 60, here equipped with a fan 62.
[142] La description suivante présente plusieurs exemples non limitatifs d’application de l'invention. [142] The following description presents several non-limiting examples of application of the invention.
Exemples Examples
[143] Exemple 1 [143] Example 1
[144] La figure 3 illustre un exemple d'application de l'invention aux gaz de combustion d'un générateur de vapeur à récupération de chaleur (HRSG) en aval d'une turbine à gaz dans une usine de GNL (Gaz naturel liquéfié) d'une capacité de 200 MWe. La composition des gaz de combustion est indiquée dans le tableau 1. [144] Figure 3 illustrates an example of application of the invention to the flue gases of a heat recovery steam generator (HRSG) downstream of a gas turbine in a 200 MWe LNG (Liquefied Natural Gas) plant. The composition of the flue gases is shown in Table 1.
[145] [Table 1] Composition des gaz de combustion (% molaire) [145] [Table 1] Composition of combustion gases (molar %)
[146] [146]
[147] Les gaz de combustion circulant dans la conduite 10 ont un débit de 1 400 t/h et une température de 135 °C. Le ventilateur B101 augmente leur pression à 0,1 MPa (1 ,1 bar) (pression absolue). La chaleur est directement récupérée des gaz grâce à l'échangeur de chaleur 520. En considérant un cas où les gaz de combustion sont refroidis dans l'échangeur 520 de 135 à 110 °C, 10,7 MW sont récupérés. Il est possible de réduire encore la température jusqu'à 90 °C. Ce qui permet de récupérer 19,3 MWth d'énergie. L'énergie récupérée peut être transférée à l'eau de condensation en amont de la chaudière via l’échangeur de chaleur 540, comme illustré figure 3. [147] The flue gases flowing in line 10 have a flow rate of 1,400 t/h and a temperature of 135 °C. Fan B101 increases their pressure to 0.1 MPa (1.1 bar) (absolute pressure). Heat is directly recovered from the gases through heat exchanger 520. Considering a case where the flue gases are cooled in exchanger 520 from 135 to 110 °C, 10.7 MW are recovered. It is possible to further reduce the temperature to 90 °C. This allows 19.3 MWth of energy to be recovered. The recovered energy can be transferred to the condensation water upstream of the boiler via heat exchanger 540, as shown in Figure 3.
[148] Alternativement, cette chaleur peut également être utilisée pour produire de la vapeur par la pompe à chaleur 50, de préférence de la vapeur basse pression (mode de réalisation de la figure 4). Ceci permettra de produire 33 t/h de vapeur à une pression absolue de 0,5 MPa (4,5 bar jauge) et 166 °C. 95 t/h de vapeur seront alors produites par la chaudière à une pression absolue de 5,5 MPa (45 bar jauge) pour faire tourner la turbine de compression du CO2 et le compresseur de la pompe à chaleur. Cela permet de réduire de 24 % la quantité de gaz naturel importé pour la chaudière. L'utilisation de la vapeur pour les équipements rotatifs permettra d'économiser 6,13 MWe. Le CO2 est livré à une pression de 16,5 MPa. L'économie de gaz naturel associée à ce cas est de 1942 Nm3/h. [148] Alternatively, this heat can also be used to produce steam by the heat pump 50, preferably low pressure steam (embodiment of Figure 4). This will produce 33 t/h of steam at an absolute pressure of 0.5 MPa (4.5 bar gauge) and 166 °C. 95 t/h of steam will then be produced by the boiler at an absolute pressure of 5.5 MPa (45 bar gauge) to run the CO2 compression turbine and the heat pump compressor. This reduces the amount of imported natural gas for the boiler by 24%. The use of steam for rotating equipment will save 6.13 MWe. The CO2 is delivered at a pressure of 16.5 MPa. The natural gas savings associated with this case are 1942 Nm 3 /h.
[149] Dans l’exemple de la figure 3, la chaleur récupérée des gaz de combustion via la pompe à chaleur est utilisée pour la production de vapeur qui, à son tour, est utilisée pour entraîner l'équipement rotatif utilisé dans la pompe à chaleur et/ou la compression du CO2. L'énergie récupérée est convertie en vapeur, ce qui permet de l'utiliser comme énergie cinétique et thermique. Les gaz de combustion de la chaudière sont également envoyés dans l’installation de captage du CO2 afin de capturer le CO2 et de réduire ainsi l'empreinte CO2 globale du système. [149] In the example of Figure 3, the heat recovered from the flue gases via the heat pump is used for the production of steam which, in turn, is used to drive the rotating equipment used in the heat pump and/or the compression of CO2. The recovered energy is converted into steam, allowing it to be used as kinetic and thermal energy. The flue gases from the boiler are also sent to the CO2 capture facility to capture CO2 and thus reduce the overall CO2 footprint of the system.
[150] L'utilisation de cette synergie permet d'améliorer les performances énergétiques du système grâce au fait que la quantité totale de vapeur produite n'est pas modifiée, mais que seule sa qualité est améliorée. Cela permet de réduire considérablement l'empreinte énergétique globale de l’installation et de diminuer les importations d'électricité. Le captage du CO2 à la sortie de la chaudière permet d'avoir une empreinte CO2 globale faible car la vapeur produite a une faible empreinte carbone grâce à la synergie entre le captage du CO2 et l'utilisation de la pompe à chaleur. Cela permet d'atteindre un taux global de CO2 évité supérieur à 85%, voire supérieur à 90%. [150] The use of this synergy makes it possible to improve the energy performance of the system thanks to the fact that the total quantity of steam produced is not modified, but only its quality is improved. This makes it possible to considerably reduce the overall energy footprint of the installation and to reduce electricity imports. The capture of CO2 at the boiler outlet makes it possible to have a low overall CO2 footprint because the steam produced has a low carbon footprint thanks to the synergy between CO2 capture and the use of the heat pump. This makes it possible to achieve an overall rate of CO2 avoided greater than 85%, or even greater than 90%.
[151] Exemple 2 [151] Example 2
[152] Cet exemple correspond au schéma représenté figure 6 et présente des performances énergétiques similaires à celles de l'exemple 1. La principale différence réside dans la manière dont la chaleur est extraite des gaz de combustion. La récupération de chaleur à partir des gaz de combustion nécessite des échangeurs de chaleur de taille relativement importante. Afin de réduire la taille et les coûts, une alternative est proposée dans cet exemple. Un système de refroidissement 201a des gaz de combustion dédié avec de l'eau comme fluide de transfert de chaleur en contact direct est ajouté. L'eau en contact direct avec les gaz de combustion récupère son énergie et refroidit les gaz de combustion en même temps. La chaleur nécessaire à la pompe à chaleur est alors récupérée à partir de l'eau de recirculation dont la température est supérieure à 70 °C, de préférence à 90 °C. L'eau excédentaire provenant de la condensation potentielle est éliminée du système. L'avantage supplémentaire de cette configuration est qu'en l'installant près de la source de CO2, il permet de réduire sa température et donc de réduire le débit volumétrique des gaz de combustion. Cela permet de réduire le système de canalisation des gaz de combustion et donc de réduire les dépenses d'investissement. Le ventilateur B101 peut être installé après ou avant ce système de refroidissement 201a. [152] This example corresponds to the scheme shown in Figure 6 and has similar energy performance to Example 1. The main difference lies in the way heat is extracted from the flue gases. Heat recovery from flue gases requires relatively large heat exchangers. In order to reduce the size and costs, an alternative is proposed in this example. A dedicated flue gas cooling system 201a with water as the heat transfer fluid in direct contact is added. The water in direct contact with the flue gases recovers its energy and cools the flue gases at the same time. The heat required by the heat pump is then recovered from the recirculating water whose temperature is above 70 °C, preferably 90 °C. Excess water from potential condensation is removed from the system. The additional advantage of this configuration is that by installing it near the CO2 source, it allows its temperature to be reduced and therefore the volumetric flow rate of the flue gases to be reduced. This allows for a reduced flue gas piping system and therefore lowers capital expenditure. The B101 fan can be installed after or before this cooling system 201a.
[153] Une autre solution consiste à intégrer cette section de récupération de chaleur dans le système de refroidissement qui est normalement présent en amont de l’unité d’absorption, tel que représenté figure 5. Un étage de refroidissement 203a comprenant sa propre boucle d'eau 202a avec une température de 90 °C est alors prévu dans le fond. La pompe à chaleur récupère alors la chaleur de cette boucle d'eau. Cela offre une capacité de transfert de chaleur plus élevée encore que le mode de réalisation de la figure 6 et permet de réduire la taille de l’échangeur de chaleur de la pompe à chaleur, ce qui permet de réaliser des économies de coûts d'investissement. Un échangeur de chaleur supplémentaire peut être ajouté à partir de la boucle d'eau de refroidissement pour mieux contrôler la température de l'eau et le bilan thermique global du système. [153] Another solution is to integrate this heat recovery section into the cooling system which is normally present upstream of the absorption unit, as shown in Figure 5. A cooling stage 203a comprising its own water loop 202a with a temperature of 90°C is then provided in the bottom. The heat pump then recovers the heat from this water loop. This provides an even higher heat transfer capacity than the embodiment of Figure 6 and allows the size of the heat exchanger of the heat pump to be reduced, thus saving investment costs. An additional heat exchanger can be added from the water loop cooling to better control the water temperature and the overall heat balance of the system.
[154] Ce concept peut être utilisé pour électrifier l'unité de capture du CO2 en cas d'utilisation de l'électricité dans la pompe à chaleur et de récupération de l'énergie à une température plus élevée afin de pouvoir produire de la vapeur HP avec une pompe à chaleur dimensionnée à cet effet. [154] This concept can be used to electrify the CO2 capture unit in case of using electricity in the heat pump and recovering the energy at a higher temperature in order to be able to produce HP steam with a heat pump sized for this purpose.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 25713297 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |