La présente invention concerne un procédé de liquéfaction d'un courant d'hydrocarbures tel que le gaz naturel en particulier dans un procédé pour la production de gaz naturel liquéfié et de CO2 liquide.
Sur des usines de liquéfaction de gaz naturel typiques, des courants réfrigérants sont utilisés pour produire le froid à différents niveaux d'un échangeur de chaleur principal en se vaporisant contre le courant d'hydrocarbures à liquéfier (typiquement le gaz naturel).
La présente invention concerne en particulier un procédé d'intégration thermique entre une unité de liquéfaction de gaz naturel et unité de purification/liquéfaction de CO2.
Il est souhaitable de liquéfier le gaz naturel pour un certain nombre de raisons. A titre d'exemple, le gaz naturel peut être stocké et transporté sur de longues distances plus facilement à l'état liquide que sous forme gazeuse, car il occupe un volume plus petit pour une masse donnée et n'a pas besoin d'être stocké à une pression élevée.
Typiquement, le gaz naturel contient des hydrocarbures et du CO2 (0,5% à 5% mol environ). Afin d'éviter le gel de ce dernier au cours de la liquéfaction du gaz naturel, il convient de le retirer. Un moyen permettant de retirer le CO2 du courant de gaz naturel est par exemple un lavage aux amines situé en amont d'un cycle de liquéfaction.
Le lavage aux amines sépare le CO2 du gaz d'alimentation par un lavage du courant de gaz naturel par une solution d'amines dans une colonne d'absorption. La solution d'amines enrichie en CO2 est récupérée en cuve de cette colonne d'absorption et est régénérée à basse pression dans une colonne de régénération de l'amine (ou stripping en anglais). En tête de cette colonne de distillation, un gaz acide riche en CO2 est rejeté. Ainsi le courant de gaz naturel par un lavage aux amines rejette un flux concentré en CO2 « gaz acide », le plus souvent directement émis à l'atmosphère.
Sur des liquéfacteurs de gaz naturel (50,000 tonnes par an à 10 millions de tonnes par an), la quantité de CO2 émis est suffisante (quantité de CO2 émis pouvant aller jusqu'à 200 tonnes par jour) et il est possible de purifier ce « gaz acide» riche en CO2 en CO2 alimentaire.
En effet, dans le domaine alimentaire, conformément à la législation en rigueur, pour pouvoir être commercialisé, le CO2 produit doit répondre à des spécifications strictes en termes de qualité et de pureté. Ainsi, par exemple, toute trace d'hydrocarbures ou de dérivés soufrés doit être éliminée (typiquement teneur inférieure au ppm volumique).
Cette purification est effectuée grâce à une unité dédiée de purification de CO2 nécessitant l'installation d'un cycle frigorifique dédié (typiquement un système de réfrigération fonctionnant à l'ammoniac par exemple).
La fonction du cycle frigorifique dit « groupe de froid » consiste à apporter le froid nécessaire au procédé de purification/liquéfaction du CO2.
Typiquement une unité standard de CO2 contient les étapes suivantes :
- Etape 1 : Compression du CO2 impur jusqu'à une pression comprise entre 15 et 50 bar abs.
- Etape 2 : Purification du CO2 par exemple par des procédés mettant en oeuvre des adsorbants régénératifs, des absorbants ou de catalyseur pour éliminer toute présence d'eau, de mercure, d'hydrocarbures et de dérivés soufrés (liste d'impuretés non exhaustive).
- Etape 3 : Distillation des incondensables pour séparer en particulier l'oxygène et l'azote du CO2 produit.
Ainsi, classiquement dans une unité de purification/liquéfaction de CO2, il est nécessaire d'apporter du froid à trois niveaux de température :
- 1. Froid vers -20°C/-30°C utilisé pour l'étape 3 décrite au paragraphe précédent.
- 2. Froid vers 5°C utilisé pour l'étape 2.
- 3. Froid à température ambiante pour refroidir le CO2 impur en étape 1.
Le condenseur de la colonne de distillation mise en oeuvre à l'étape 3 représente environ 50% du total des besoins en froid. Ce froid peut être apporté via un cycle frigorifique dédié (typiquement à l'ammoniac ou au propane) couplé éventuellement d'un système de refroidissement à l'eau.
Le système de production de frigories représente un coût important de l'unité de purification et de liquéfaction du CO2 et ajoute de la complexité de mise en oeuvre sur le site de mise en oeuvre du procédé ce qui représente une contrainte.
Une solution existante consiste à dissocier les deux unités (liquéfaction de gaz naturel et purification de CO2) ce qui nécessite la mise en place de deux systèmes de production de frigories, un pour l'unité de liquéfaction de gaz naturel et un pour l'unité de purification de CO2.
Les inventeurs de la présente invention ont alors mis au point une solution permettant de résoudre le problème soulevé ci-dessus, à savoir minimiser l'investissement dans un système de production de frigories dans l'unité de purification/liquéfaction de CO2 et donc d'optimiser les dépenses d'investissement tout en gardant une efficacité optimale pour la liquéfaction du gaz naturel dans l'unité de liquéfaction.
La présente invention a pour objet un procédé de production de gaz naturel liquéfié et de dioxyde de carbone (CO2) liquide comprenant au moins les étapes suivantes :
- Etape a) : séparation d'un gaz d'alimentation de gaz naturel, contenant des hydrocarbures et du dioxyde de carbone dans une unité de traitement, en un courant gazeux enrichi en CO2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO2 ;
- Etape b) : liquéfaction du courant de gaz naturel appauvri en CO2 issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories ;
- Etape c) : liquéfaction simultanée du courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) dans une unité de liquéfaction de CO2 ;
caractérisé en ce que tout ou partie du froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
De préférence, tout le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 et à la liquéfaction du gaz naturel est fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
L'objet de la présente invention est de coupler thermiquement une unité de liquéfaction d'un gaz riche en hydrocarbures, typiquement du gaz naturel, avec une unité de purification/liquéfaction de CO2.
Par couplage thermique, on entend mise en commun des moyens de production de frigories pour assurer le bilan thermique des deux unités, typiquement compresseur de cycle de réfrigération, et éventuellement un système turbine/surpresseur dans le cas de cycle azote.
Par système turbine/surpresseur on entend une turbine mécaniquement couplée (via un arbre commun) à un compresseur mono-étagé.
La puissance générée à travers la turbine étant directement transmise au compresseur mono-étagé.
Cette intégration thermique se matérialise par la mise en commun toute colonne, échangeur thermique, unité ou autre agencement adapté (typiquement un échangeur thermique) où des courants liés au procédé de liquéfaction de gaz naturel et des courants liés au procédé de purification/liquéfaction du CO2 échangent thermiquement.
Le procédé objet de la présente invention permet de se passer du groupe de froid initialement nécessaire pour liquéfier le CO2 et de soutirer le froid directement du liquéfacteur de gaz naturel. Cette intégration thermique permet ainsi de se passer d'un équipement dans l'unité de purification de CO2.
L'intégration proposée permet de fournir du froid aux trois niveaux de température nécessaires.
Selon d'autres modes de réalisation, l'invention a aussi pour objet :
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le gaz d'alimentation comprend de 0,1% molaire à 5% molaire de CO2.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) comprend au moins 95% molaire de CO2.
- Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que préalablement à l'étape b), le courant de gaz naturel issu de l'étape a) est prétraité dans une unité de prétraitement.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ladite unité de traitement mise en oeuvre à l'étape a) est une unité de lavage aux amines.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant gazeux enrichi en CO2 issu de l'étape a) est purifié préalablement à l'étape c), le froid nécessaire à cette purification étant fourni par ledit système de production de frigories de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le courant enrichi en CO2 ainsi purifié comprend au moins 99,5% molaire de CO2.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ladite unité de liquéfaction de gaz naturel comprend au moins un cycle de réfrigération alimenté par un courant réfrigérant contenant au moins un des constituants choisis parmi l'azote, le méthane, l'éthylène, l'éthane, le propane, l'ammoniac, le butane et le pentane.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le froid nécessaire à la liquéfaction du courant gazeux enrichi en CO2 provient d'un fluide frigorigène préalablement refroidi dans l'échangeur de chaleur de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
Un procédé tel que défini précédemment, caractérisé en ce que le fluide frigorigène est un fluide d'ammoniac et/ou de propane.
La présente invention a également pour objet un dispositif de production de gaz naturel liquéfié et de CO2 liquéfié comprenant une unité de traitement d'un gaz d'alimentation, produisant au moins un courant gazeux enrichi en CO2 et un courant de gaz naturel appauvri en CO2, et une unité de liquéfaction de gaz naturel, ladite unité de liquéfaction de gaz naturel comprenant au moins un échangeur de chaleur principal et un système de production de frigories caractérisé en ce que le système de production de frigories est apte à et conçu pour liquéfier à la fois le courant enrichi en CO2 issu de l'unité de traitement et le courant de gaz naturel circulant dans l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
Selon d'autres modes de réalisation, l'invention concerne également :
- Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend au moins un compresseur et éventuellement un système turbine-surpresseur.
Un dispositif tel que défini précédemment, caractérisé en ce que ledit système de production de frigories comprend un cycle frigorifique, comportant un compresseur entraîné par un moteur thermique ou électrique, un circuit de circulation d'un fluide réfrigérant.
Un dispositif tel que défini précédemment,caractérisé en ce qu'il comprend une unité de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 comprenant au moins un moyen de compression, un moyen de purification et au moins une colonne de distillation, caractérisé en ce que ledit dispositif est conçu tel que le froid nécessaire pour la mise en oeuvre de l'unité de purification et de liquéfaction de gaz enrichi en CO2 provient d'un fluide frigorigène refroidi dans ledit échangeur de chaleur principal de l'unité de liquéfaction de gaz naturel.
Le besoin frigorifique d'une unité de liquéfaction de gaz naturel étant généralement plus important que le besoin frigorifique d'une unité de purification/liquéfaction de CO2, il est pertinent de profiter de la capacité disponible des machines (compresseurs et/ou turbine/surpresseurs) de l'unité de liquéfaction de gaz naturel pour assurer en totalité ou au moins partiellement le besoin frigorifique de l'unité de purification/liquéfaction de CO2 et notamment limiter l'investissement en machinerie de l'unité de purification/liquéfaction de CO2.
En particulier, l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de liquéfaction d'un liquéfacteur d'hydrocarbures est bien inférieur à l'investissement incrémental pour augmenter la capacité de production liquide d'une unité de purification/liquéfaction de CO2.
En outre, d'autres étapes de traitement intermédiaires entre la séparation courant hydrocarbures/CO2 et la liquéfaction des hydrocarbures peuvent être réalisées. Le courant d'hydrocarbures à liquéfier est généralement un flux de gaz naturel obtenu à partir de champs de gaz naturel, des réservoirs de pétrole ou d'un réseau de gaz domestique distribué via des pipelines.
Habituellement, le flux de gaz naturel est composé essentiellement de méthane. De préférence, le courant d'alimentation comprend au moins 80% mol de méthane.
En fonction de la source, le gaz naturel contient des quantités d'hydrocarbures plus lourds que le méthane, tels que par exemple l'éthane, le propane, le butane et le pentane ainsi que certains hydrocarbures aromatiques. Le flux de gaz naturel contient également des produits non-hydrocarbures tels que H2O, N2, CO2, H2S et d'autres composés soufrés, le mercure et autres.
Le flux d'alimentation contenant le gaz naturel est donc prétraité avant d'être l'introduit dans l'échangeur de chaleur. Ce prétraitement comprend la réduction et/ou l'élimination des composants indésirables tels que le CO2 et le H2S, ou d'autres étapes telles que le pré-refroidissement et/ou la mise sous pression. Etant donné que ces mesures sont bien connues de l'homme de l'art, elles ne sont pas davantage détaillées ici.
Dans le procédé objet de la présente invention, il est essentiel de prétraiter le courant de gaz naturel afin d'extraire un courant enrichi en CO2 qui sera lui-même liquéfié grâce au système de production de frigories de l'unité de liquéfaction du gaz naturel.
L'expression "gaz naturel" telle qu'utilisée dans la présente demande se rapporte à toute composition contenant des hydrocarbures dont au moins du méthane. Cela comprend une composition « brute » (préalablement à tout traitement ou lavage), ainsi que toute composition ayant été partiellement, substantiellement ou entièrement traitée pour la réduction et/ou élimination d'un ou plusieurs composés, y compris, mais sans s'y limiter, le soufre, le dioxyde de carbone, l'eau, le mercure et certains hydrocarbures lourds et aromatiques.
L'échangeur de chaleur peut être tout échangeur thermique, toute unité ou autre agencement adapté pour permettre le passage d'un certain nombre de flux, et ainsi permettre un échange de chaleur direct ou indirect entre une ou plusieurs lignes de fluide réfrigérant, et un ou plusieurs flux d'alimentation.
L'invention sera décrite de manière plus détaillée en se référant à la figure qui illustre le schéma d'un mode de réalisation particulier d'une mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention.
Sur la figure, un flux d'alimentation de gaz naturel 1 (par exemple à un débit considéré de 500,000 tonnes par an soit environ 60 tonnes par heures) contenant du CO2 est introduit dans une unité de traitement 2 dans laquelle ledit flux 1 est séparé en au moins deux courants gazeux 3 et 4. Le flux d'alimentation de gaz naturel 1 contient par exemple de 0,1 à 5% molaire de CO2.
Le premier courant 3 est un courant de gaz naturel appauvri en CO2. Le deuxième courant 4 est courant enrichi en CO2.
L'unité de traitement 2 est une unité qui sépare le CO2 du courant de gaz naturel par exemple une unité d'absorption chimique, en particulier une unité de lavage aux amines (type MDEA, MEA, ...) qui permet de produire du CO2 concentré à basse pression (typiquement légèrement supérieur à la pression atmosphérique). Par CO2 concentré (ou purifié) on entend un courant contenant plus de 95% molaire de CO2 sur une base sèche.
Après d'éventuelles étapes de prétraitement pour éliminer toutes traces de mercure, d'eau ou de dérivés soufrés par exemple (unité 7), le courant de gaz naturel 3 appauvri en CO2 est introduit dans l'échangeur principal 8 d'une unité 5 de liquéfaction de gaz naturel afin d'être liquéfié 14. Un courant 10 riche en hydrocarbures lourds est extrait de l'unité de liquéfaction 5 pour éviter tout risque de gel. Ledit courant 10 étant extrait de l'unité de liquéfaction 5 via une colonne de lavage 11. Un courant réfrigérant circule en cycle fermé dans l'échangeur de chaleur 8 afin d'apporter le froid nécessaire pour liquéfier ledit courant 3 de gaz naturel.
En particulier, le cycle de liquéfaction 9 met en oeuvre un réfrigérant pouvant être un mélange de réfrigérants choisis parmi typiquement l'azote, le méthane, l'éthane, l'éthylène, le propane, le butane, le pentane. Il peut s'agir d'un cycle basé sur un cycle frigorifique constitué d'un réfrigérant ou d'un mélange de plusieurs réfrigérants.
Un courant [non représenté sur la figure]de réfrigérant est introduit dans le système 9 de production de frigories de l'unité de liquéfaction 5 via un compresseur (et éventuellement un via système compresseur/surpresseur).
Le deuxième courant gazeux 4 enrichi en CO2 issu de l'unité de traitement 2 est comprimé à moyenne pression (typiquement 25 Bar abs), refroidi, purifié (élimination de toute trace d'H2O Hydrocarbures, dérivés soufrés en particulier) puis renvoyé dans une colonne de distillation (colonne de stripping) qui sépare les incondensables en tête du CO2 liquide concentré 15 récupéré en cuve.
Pour assurer le froid nécessaire au bon fonctionnement de l'unité depurification/liquéfaction 6, un fluide frigorigène 13 (typiquement mais pas uniquement de l'ammoniac ou du propane) circule entre l'unité de purification/liquéfaction de CO2 6 et l'unité de liquéfaction de gaz naturel 5 : il entre dans l'échangeur de chaleur 8 à température ambiante, est condensé à une température comprise entre -10°C et -40°C (typiquement pour autour de -20°C/-30°C) pour être renvoyé vers l'unité de purification/liquéfaction du CO2 6.
Ainsi grâce à cette intégration thermique, on évite un cycle frigorigène dédié à l'unité 6 de purification/liquéfaction de CO2 en augmentant la puissance du cycle dédié à la liquéfaction du gaz naturel (typiquement de l'ordre de 5%).