FR2825995A1 - Installation et procede de production de gaz de synthese comprenant un reacteur de vaporeformage et un reacteur de conversion du co2 chauffe par un gaz chaud - Google Patents
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Abstract
Installation de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée comprenant au moins un réacteur de vaporeformage, au moins un réacteur de conversion du CO2 muni d'au moins un moyen d'alimentation par l'effluent issu du vaporeformage et d'au moins un autre moyen d'alimentation par un gaz comprenant du dioxyde de carbone caractérisé en ce qu'au moins un réacteur de vaporeformage ou de conversion du CO2 est chauffé par un gaz chaud.
Description
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La présente invention concerne une installation et un procédé de production de gaz de synthèse comprenant un vaporeformage, une conversion du C02 et éventuellement une turbo-compression.
ART ANTERIEUR : La conversion du gaz naturel en produits liquides est économiquement intéressante, notamment dans des zones géographiques éloignées des pays industrialisés qui manquent d'infrastructure telles que par exemple des centrales électriques ou une industrie pétrochimique. Elle permet de valoriser le gaz naturel en le transformant en des produits chimiques transportables à faible coût.
Le transport du gaz naturel par gazoduc et les usines de liquéfaction du gaz représentent des investissements importants et sont souvent économiquement moins rentables que la conversion chimique du gaz en liquides.
Parmi les liquides aisément synthétisés à partir de gaz naturel, on trouve notamment le méthanol et les hydrocarbures paraffiniques obtenus par synthèse Fischer-Tropsch et convertis en gasoil et kérosène de grande qualité dans une unité d'hydrocraquageisomérisant, par exemple selon le brevet FR 2 789 691.
La production de méthanol ou de diméthyléther nécessite un gaz de synthèse comprenant du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et de l'hydrogène. Ce gaz de synthèse présente avantageusement un rapport molaire H2/2CO+3C02 compris entre 0,4 et 10, de manière plus préféré entre 0,5 et 4.
La production d'environ 7000 à 10 000 barils par jour de gazole (soit environ 1100 à 1600 m3 par jour) au moyen de la synthèse Fischer-Tropsch requiert environ 1,6 à 2,2 106 Nm3/jour de gaz naturel (soit environ 60 à 85 MMSCFD). Ce gaz naturel contient essentiellement du méthane qui dans une première étape est converti en un gaz de synthèse contenant essentiellement de l'hydrogène (H2), du monoxyde de carbone (CO), ainsi que du dioxyde de carbone (C02) en moindre proportion. En effet, le CO2 ne se comporte pas comme un réactif dans la synthèse Fischer-Tropsch, alors qu'il est converti dans la réaction de synthèse du méthanol.
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Le gaz de synthèse le mieux adapté à la synthèse Fischer-Tropsch doit présenter un rapport molaire H2/CO voisin de 2. L'obtention d'un tel rapport est possible par oxydation partielle du gaz naturel (POX), ainsi que l'indique la réaction R1 :
Ce mode de production du gaz de synthèse est toutefois très onéreux et consommateur d'énergie. Dans les procédés conventionnels d'oxydation partielle, l'air est fractionné pour éliminer l'azote qui est un gaz inerte. Cette séparation nécessite des volumes d'air très importants qui doivent être comprimés et liquéfiés. De plus l'utilisation d'équipements conventionnels (compresseurs, échangeurs de chaleur, chaudières avec brûleur à gaz) entraîne des niveaux d'investissement très élevés et une utilisation inefficace de l'énergie.
Ce mode de production du gaz de synthèse est toutefois très onéreux et consommateur d'énergie. Dans les procédés conventionnels d'oxydation partielle, l'air est fractionné pour éliminer l'azote qui est un gaz inerte. Cette séparation nécessite des volumes d'air très importants qui doivent être comprimés et liquéfiés. De plus l'utilisation d'équipements conventionnels (compresseurs, échangeurs de chaleur, chaudières avec brûleur à gaz) entraîne des niveaux d'investissement très élevés et une utilisation inefficace de l'énergie.
Le gaz de synthèse CO, H2 peut également être produit en combinant une étape d'oxydation partielle exothermique, selon la réaction R1, avec une étape de vaporeformage endothermique :
Les deux opérations peuvent être combinées dans un même réacteur généralement appelé réacteur autotherme.
Les deux opérations peuvent être combinées dans un même réacteur généralement appelé réacteur autotherme.
Le rendement du procédé Fischer-Tropsch est globalement d'environ 65 % (35% du gaz naturel est consommé pour les besoins de l'unité). Ceci peut se traduire par des émissions de C02 significatives, de l'ordre de 1,5 tonne par tonne de gazole FischerTropsch produite.
Il est donc important de réduire cette autoconsommation ainsi que les émissions de C02. Ainsi, dans la recherche d'une solution plus performante deux facteurs doivent être pris en compte : - La production d'oxygène pur pour l'étape d'oxydation partielle requiert un investissement très important.
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- La production de carburants liquides à partir de gaz naturel par conversion chimique produit des quantités relativement importantes de C02, qu'il est intéressant de pouvoir recycler au moins partiellement Une possibilité de recyclage du CO2 consiste à recycler du CO2 à l'entrée de l'étape de vaporeformage. Une partie du C02 peut être convertie suivant la réaction : CH4 + CO2 # 2CO + 2H2 La possibilité d'opérer un recyclage partiel est reconnue Ce recyclage se heurte toutefois à certaines limitations et notamment à la nécessité de ne pas produire de coke.
Cette production de coke est favorisée par une teneur relativement faible en hydrogène et une température relativement basse, conditions qui sont réunies au voisinage de l'entrée dans le réacteur de vaporeformage.
Un autre usage important du gaz de synthèse est la production d'ammoniac à partir d'un gaz de synthèse contenant de l'azote. Dans ce cas le gaz de synthèse est préparé à partir d'air sans séparation de l'oxygène et de l'azote, il contient donc de l'azote en proportion importante en plus de CO, CO2 et H2.
Par ailleurs, il est également possible de produire de l'hydrogène à partir de gaz naturel, par exemple par reformage à la vapeur du gaz naturel afin d'obtenir un gaz de synthèse riche en hydrogène, puis de réaliser la séparation de l'hydrogène au moyen par exemple d'une unité d'absorption de type PSA (Pressure Swing Absorption), c'est- à-dire une unité d'absorption par variation de pression.
La demande de brevet WO 93/06041 décrit un procédé d'enrichissement de l'air en oxygène. Dans cette demande sont décrites différentes options pour préparer des mélanges oxygène-azote contenant plus d'oxygène que l'air. Il est en particulier revendiqué une technique de séparation permettant d'obtenir de l'air enrichi, qui utilise une séparation par membrane ou une absorption de type P.S.A., associé à une turbine à gaz qui fournit l'air nécessaire en tant que charge de la section séparation.
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L'utilisation des gaz de purge en tant que carburant des turbines à gaz est également décrite. L'air enrichi est préférentiellement utilisé dans une unité de reformage d'une source de carbone tel que le gaz naturel, afin d'obtenir du gaz de synthèse.
Les demandes de brevet WO 97/33847 et WO 97/48639 décrivent un procédé de production de gaz de synthèse dans lequel l'unité de production du gaz de synthèse est disposée entre la section compression et la section comprenant la turbine de détente d'une turbine à gaz. Un compresseur additionnel est disposé après l'unité de production du gaz de synthèse et avant l'unité utilisant ce gaz de synthèse pour le convertir en méthanol, ou diméthyléther, ou hydrocarbures, via la synthèse FischerTropsch. Dans la demande WO 97/48639, il est précisé que la production du gaz de synthèse est assurée par une unité de reformage autotherme, également appelée ATR (autothermal reforming).
La demande de brevet EP 212 755 décrit un procédé de production de gaz de synthèse par réformage à la vapeur d'hydrocarbures dans lequel un échange de chaleur est réalisé entre les gaz réactifs et des gaz de combustion, dans la zone réactionnelle, lesdits gaz de combustion étant au moins partiellement recyclés vers la zone de combustion. Par ailleurs, ledit procédé peut également comporter une zone de détente et un compresseur qui peuvent être combinés avec la zone de combustion pour constituer une turbine à gaz.
La demande de brevet FR-A-2 316 730 décrit un procédé de production de gaz de synthèse à partir de gaz naturel et d'air ou d'oxygène dilué par un gaz inerte comprenant au moins un compresseur entraîné par une turbine de puissance.
Le brevet GB-B-2 168 718 décrit un procédé de production de gaz de synthèse dans lequel les hydrocarbures de la charge sont convertis en oxydes de carbone (CO,CO2) et le gaz ainsi obtenu est mélangé avec du CO2 recyclé puis envoyé dans un réacteur de conversion du C02 en CO (Reverse Water Gas Shift Reaction : RWGS selon la terminologie anglo-saxonne). L'effluent issu de cette seconde unité est éventuellement envoyé vers un système de séparation du CO2, puis ledit CO2 est réchauffé et recyclé à la sortie du vaporeformeur. Ce brevet ne précise pas la nature des réacteurs utilisés. En particulier, aucun moyen de chauffage du réacteur dans lequel le C02 est converti
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en CO n'est décrit. En outre, aucun schéma d'intégration de ces réacteurs de reformage ou de conversion du CO2 n'est présenté. Par ailleurs, ce brevet ne suggère pas l'utilisation de systèmes de turbo-compression.
RESUME DE L'INVENTION: La présente invention concerne une installation et un procédé de production de gaz de synthèse, par exemple pour la synthèse Fischer-Tropsch d'hydrocarbures liquides, mais aussi pour tout autre procédé nécessitant la production préalable de gaz de synthèse. La charge du procédé selon l'invention peut être tout type de charge hydrocarbonée permettant de préparer du gaz de synthèse, par exemple du gaz naturel.
La présente invention consiste à ajuster le rapport H2 /CO dans le mélange de gaz envoyé à une autre étape située en aval, par exemple la synthèse Fischer-Tropsch, en amenant ou en recyclant du CO2 à une section de production du gaz de synthèse en deux étapes comprenant un vaporeformage selon la réaction R2 et une section de conversion du C02 pour produire du CO en présence d'hydrogène selon la réaction R3 (réaction RWGS ou Reverse Water Gas Shift selon la terminologie anglo-saxonne) cidessous : C02 + H2 # CO + H20 (R3) La présente invention comprend par ailleurs un système de chauffage particulièrement avantageux pour réaliser ces deux étapes de production du gaz de synthèse. Dans le procédé selon l'invention, au moins une étape parmi les étapes de vaporeformage et de conversion du CO2 (RWGS) est de préférence réalisée dans au moins un réacteur échangeur (par exemple un réacteur multitubulaire, de préférence deux réacteurs multitubulaires disposés en série), de manière plus préférée ce réacteur est particulièrement compact. Au moins un desdits réacteurs peut ainsi être chauffé par un gaz chaud, de préférence les deux réacteurs lorsqu'ils sont tous deux du type réacteur échangeur. Ce gaz chaud est de préférence sous pression afin de pouvoir augmenter la vitesse de circulation et réduire ainsi la section du réacteur. Ce gaz chaud sous pression peut être notamment généré à l'aide d'ensembles de turbo-compression tels
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que ceux qui équipent une turbine à gaz, c'est-à-dire une turbine d'expansion accouplée à au moins un étage de compression et à une chambre de combustion.
L'installation selon l'invention est donc une Installation de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée comprenant au moins un réacteur de vaporeformage, au moins un réacteur de conversion du C02 muni d'au moins un moyen d'alimentation par l'effluent issu du vaporeformage et d'au moins un autre moyen d'alimentation par un gaz comprenant du dioxyde de carbone caractérisé en ce qu'au moins un réacteur de vaporeformage ou de conversion du C02 est chauffé par un gaz chaud.
L'invention concerne également un procédé de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée, de préférence du gaz naturel, utilisant l'installation selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION: La présente invention concerne une installation et un procédé de production de gaz de synthèse, par exemple pour la synthèse Fischer-Tropsch d'hydrocarbures liquides, mais aussi pour tout autre procédé nécessitant la production préalable de gaz de synthèse comme la synthèse du méthanol ou d'alcools C1-C6 par exemple. La charge du procédé selon l'invention peut être tout type de charge hydrocarbonée permettant de préparer du gaz de synthèse, de préférence du gaz naturel ou du gaz associé ou un naphta pétrolier. Le procédé selon l'invention permet d'éviter l'étape préliminaire de séparation de l'oxygène et de l'azote contenus dans l'air, ou l'utilisation d'air non séparé avec les inconvénients résultants de la présence d'azote diluant des réactifs.
A relativement haute température (800 à 1000 C), la réaction (R3) de conversion du C02 (RWGS) qui est endothermique, peut être opérée. A une température relativement basse, c'est la réaction inverse de conversion du CO en présence d'eau qui est thermodynamiquement favorisée et usuellement pratiquée de façon à augmenter le rapport H2/CO.
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Il est donc particulièrement important de maintenir la température à un niveau élevé de manière à favoriser la conversion de CO2 et en même temps éviter la formation de coke.
Les conditions dans lesquelles est opérée la réaction de conversion du CO2 (R3) sont favorables; en effet la présence d'un excès d'hydrogène, ainsi que le fait d'opérer à un niveau de température relativement élevé réduisent les risques de dépôt de coke.
Il en résulte différents avantages : possibilité de réduire les émissions en dioxyde de carbone, augmentation de la production finale de produit liquides pour une quantité fixée de gaz naturel, possibilité d'éviter l'installation d'une unité de production d'oxygène.
On évite également la nécessité d'installer une unité d'oxydation partielle associée au vaporeformage, comme cela est généralement proposé en amont d'une unité de synthèse du méthanol ou de synthèse Fischer-Tropsch. L'unité de vaporeformage permet en outre de produire l'hydrogène nécessaire pour l'étape d'hydrocraquage, à partir d'une fraction du gaz de synthèse produit.
CONDITIONS DE REALISATION : Les deux étapes de vaporeformage et de conversion du CO2 sont de préférence opérées dans des réacteurs échangeurs, de manière plus préféré des réacteurs multitubulaires, dans lesquels un catalyseur est disposé en lit fixe. Le catalyseur utilisé pour la première étape de vaporeformage est généralement un catalyseur à base de nickel, déposé sur alumine. Le gaz circule dans les tubes du réacteur à une pression comprise par exemple entre 1 et 5 MPa, de préférence entre 2 et 4 MPa et il est chauffé jusqu'à une température comprise par exemple entre 750 et 1000 C, de préférence entre 800 et 950 C, de manière plus préférée entre 820 et 940 C. Différents types de fours peuvent être utilisés : des fours verticaux à brûleurs en voûte, des fours à brûleurs en sole, des fours à chauffe latérale et des fours terrasses. Une évolution récente consiste à réduire le volume des installations en utilisant des gaz chauds sous pression qui peuvent circuler à une vitesse relativement élevée.
La deuxième étape de conversion du CO2 (RWGS) est réalisée dans des conditions de température et de pression similaires, la pression pouvant être comprise par exemple
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entre 0,5 et 5 MPa, de préférence entre 1 et 4MPa, et la température en sortie de réacteur comprise entre 750 et 1100 C, de préférence entre 800 et 1150 C, de manière plus préférée entre 850 et 1100 C. Le catalyseur utilisé est par exemple un catalyseur à base d'oxydes métalliques, demeurant stable dans ces conditions de température et de pression. Il peut s'agir par exemple d'un catalyseur à base d'oxyde de fer ou d'oxyde de chrome, mais d'autres catalyseurs peuvent être envisagés. Le réacteur dans lequel est effectuée cette étape de conversion du C02 (RWGS) peut être opéré à une VVH par exemple comprise entre 300 et 3000 h-1.
En opérant dans ces conditions, il est possible d'ajuster le rapport H2/CO à une valeur proche de la valeur recherchée (par exemple environ 2,1 pour la synthèse FischerTropsch), tout en limitant les teneurs en méthane et en oxyde de carbone non convertis.
Le dioxyde de carbone utilisé au cours de cette deuxième étape peut être au moins en partie formé de dioxyde de carbone recyclé, ce qui permet de limiter les émissions en dioxyde de carbone de la chaîne de conversion. Il peut provenir, au moins en partie, d'une fraction gazeuse riche en dioxyde de carbone provenant d'une autre unité de conversion ou d'un autre procédé. Il peut aussi être séparé du gaz de purge obtenu à la sortie de l'étape de synthèse Fischer-Tropsch, et éventuellement purifiée. Il peut aussi provenir au moins en partie d'une fraction gazeuse riche en dioxyde de carbone séparée du gaz servant au chauffage des étapes de vaporeformage et conversion du C02. Il peut également provenir du gaz naturel, lorsque celui-ci est relativement riche en dioxyde de carbone. Une partie de ce dioxyde de carbone peut être aussi envoyé à l'entrée de l'étape de vaporeformage.
Il est important de maintenir une température suffisamment élevée au cours de la deuxième étape. Le réacteur doit donc être chauffé, ce qui peut être réalisé en utilisant un gaz chaud, produit au cours d'une étape de combustion.
Il est avantageux de réaliser ces deux étapes dans deux réacteurs échangeurs, tels que par exemple des réacteurs multitubulaires, disposés en série et qui peuvent être particulièrement compacts (c'est-à-dire présentant une densité de tube relativement importante par mètre carré de section réactionnelle.) s'ils sont chauffés par un gaz chaud sous pression. La pression d'alimentation de ce gaz de chauffage est de
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préférence comprise entre 0,3 et 1 MPa. Ledit gaz chaud peut provenir de toute unité de production de gaz chaud disponible sur le site (par exemple de la vapeur sous pression). Toutefois, un mode préféré de la présente invention consiste à générer un tel gaz chaud sous pression, servant à alimenter la partie échangeur des réacteurs échangeurs, à l'aide de préférence d'un ensemble de turbo-compression tel que ceux qui équipent les turbines à gaz industrielles. Le gaz chaud ainsi produit, contenant environ au moins 15% en volume d'oxygène, de préférence environ 16 à 17% d'oxygène, est disponible à une pression supérieure à la pression atmosphérique, généralement de l'ordre d'environ 0,3 à 0,5 MPa et à une température généralement supérieure à 500 C, de préférence d'environ 600 à 800 C. Compte tenu de sa teneur en oxygène, il peut être éventuellement envoyé à une étape de postcombustion, en présence d'un appoint de gaz combustible, pour obtenir les niveaux de température que requiert le chauffage des deux réacteurs.
Selon un mode préféré de réalisation, à l'issue de ces étapes de chauffage, le gaz encore chaud utilisé pour l'échange de chaleur et sortant de la partie échangeur du dernier réacteur échangeur peut être éventuellement envoyé dans une turbine de détente, par exemple du type de celles qui sont utilisées pour récupérer l'énergie de détente des gaz de FCC. Finalement, à l'issue de cette étape de détente, le gaz encore chaud peut être éventuellement envoyé à une chaudière de récupération. La vapeur ainsi générée peut être utilisée au moins en partie pour alimenter l'étape de vaporeformage.
Un exemple d'installation selon l'invention est présenté sur la figure 1. Le fonctionnement du procédé de génération de gaz synthèse est décrit en référence au schéma de cette figure.
Le gaz naturel, préalablement désulfuré arrive par le conduit (1). Il est mélangé avec la vapeur d'eau arrivant par le conduit (2) et le mélange résultant est envoyé par le conduit (3) à l'échangeur de chaleur tubes-calandre (4) dans lequel il est préchauffé par échange de chaleur avec l'effluent (14) du réacteur (12) dans lequel est effectué la réaction de conversion du C02.
L'étape de vaporeformage est réalisée dans le réacteur (6) tandis que la réaction de conversion du CO2 est réalisée dans le réacteur (12) qui est alimenté par l'effluent (8) du réacteur (6) après mélange avec un flux approprié (9) riche en CO2. Chacun de ces
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réacteurs peut être chauffé au moyen d'un four opérant selon l'une des configurations habituelles déjà mentionnées. Toutefois, il est avantageux d'utiliser un gaz chaud sous pression. Les réacteurs échangeurs (6) et (12) sont alors équipés dans leur section haute d'un système de distribution permettant d'introduire la charge dans un nombre important de tubes, généralement de l'ordre de 30 à 250 tubes par mètre carré de section de réacteur. Chaque tube est rempli jusqu'au même niveau avec un catalyseur de reformage (réacteur 6) ou de conversion du C02 (réacteur 12). Le coté calandre du réacteur échangeur est équipé de chicanes connues de l'homme du métier, afin d'assurer une bonne distribution du gaz chaud. Le réacteur (12) est un réacteur échangeur du même type que le réacteur (6), mais peut présenter un diamètre et une densité de tube différente.
Le schéma de la figure 1 illustre le mode de génération de ce gaz chaud. L'air atmosphérique, arrivant par le conduit (16) est comprimé dans les étages de compression (17) qui sont entraînés par la turbine d'expansion (18) accouplée aux étages de compression par l'intermédiaire de l'arbre de transmission. L'air comprimé à la sortie de la section de compression est envoyé à la chambre de combustion (19) dans laquelle arrive également par le conduit (20) du gaz combustible, qui peut être constitué soit par une fraction du gaz naturel arrivant dans l'unité, soit par un gaz de purge de l'unité. Les gaz chauds sortant de la chambre de combustion (19) sont envoyés à la turbine (18) et détendus. Les gaz encore chauds et sous pression issus de cette turbine sont envoyés par le conduit (21) à la chambre de postcombustion (22).
La postcombustion est réalisée en présence d'une fraction de gaz combustible arrivant par le conduit (23). La température des gaz chauds résultante est ajustée, en jouant sur la quantité de gaz combustible à un niveau compris par exemple entre 1000 et 1300 C, permettant d'atteindre la température requise au cours de l'étape de conversion du C02 (RWGS). Les gaz chauds et sous pression sortant de l'étape de postcombustion (22) sont donc envoyés par le conduit (13) dans le réacteur (12) d'où ils ressortent par le conduit (15).
Les gaz encore chauds et sous pression quittant le réacteur (12) sont envoyés dans le réacteur (6) par le conduit (15). Les gaz encore chauds et sous pression quittant le réacteur (6) par le conduit (26) peuvent être détendus dans une turbine de détente entraînant un générateur électrique (28). Les gaz sortant de la turbine de détente (27) peuvent servir à générer de la vapeur dans la chaudière de récupération (32). La
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chaudière de récupération est alimentée en eau par le conduit (34). L'eau circule dans les faisceaux de chauffage de la chaudière (36), la vapeur saturée se dégage dans le ballon sous pression (35) et arrive par le conduit (2) pour être mélangée avec le gaz naturel arrivant par le conduit (1). Une autre partie de la vapeur qui n'est pas utilisée en reformage est surchauffée et sort par le conduit (37).
En résumé, l'invention concerne une installation de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée comprenant au moins un réacteur de vaporeformage, au moins un réacteur de conversion du C02 muni d'au moins un moyen d'alimentation par l'effluent issu du vaporeformage et d'au moins un autre moyen d'alimentation par un gaz comprenant du dioxyde de carbone caractérisé en ce qu'au moins un réacteur de vaporeformage ou de conversion du C02 est chauffé par un gaz chaud.
L'installation selon l'invention comprend de préférence un réacteur de vaporeformage et un réacteur de conversion du C02 chauffés par un gaz chaud. De manière plus préférée, le gaz chaud servant à chauffer ledit ou lesdits réacteurs arrive à une pression comprise entre 0,3 et 1 MPa.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'installation ledit gaz chaud provient d'une turbine d'expansion accouplée à au moins un étage de compression et à une chambre de combustion.
L'installation selon l'invention comprend de préférence, en outre au moins une turbine de détente, et de manière plus préférée, ladite turbine de détente entraîne un générateur électrique.
De préférence, l'installation selon l'invention comprend en outre une chaudière servant à produire la vapeur nécessaire au réacteur de vaporeformage et alimentée par les gaz issus de ladite turbine de détente.
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Selon un autre mode préféré de réalisation de l'installation selon l'invention les réacteurs de vaporeformage et de conversion du C02 sont des réacteurs échangeurs compacts.
De préférence, le gaz comprenant du dioxyde de carbone provient d'un recyclage de l'effluent issu du réacteur de conversion du C02. Il peut également provenir d'une source naturelle de C02 ou d'un autre procédé générateur de C02. Il peut aussi éventuellement provenir au moins en partie de C02 séparé et recyclé à la sortie d'une étape de production de gaz de synthèse.
L'invention concerne également un procédé de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée utilisant l'installation selon l'invention.
Dans le procédé selon l'invention, le gaz chaud sous pression servant à alimenter la partie échangeur des réacteurs échangeurs est de préférence généré à l'aide de l'ensemble de turbo-compression comprenant une turbine d'expansion accouplée à au moins un étage de compression et à une chambre de combustion. De manière plus préférée, le gaz utilisé pour l'échange de chaleur et sortant de la partie échangeur du dernier réacteur échangeur est envoyé dans une turbine de détente.
La charge hydrocarbonée du procédé selon l'invention est de manière très préférée un gaz naturel, et de manière encore plus préféré, le gaz de synthèse produit est utilisé dans une unité de synthèse Fischer-Tropsch. Le gaz comprenant du C02 qui alimente le réacteur de conversion du C02 peut éventuellement être séparé en sortie d'une l'unité de synthèse Fischer-Tropsch.
Exemple L'exemple suivant sera décrit en relation avec la figure 1. On envoie par le conduit (1) 17,7 t/h d'un gaz naturel dont la composition molaire est la suivante : Ci 0,89 C2 0,07 C3 0,02 C4 : 0,01 C5+ 0,01
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On introduit par le conduit (2) 19,5 t/h de vapeur d'eau. Le mélange gazeux obtenu est chauffé jusqu'à une température de 650 C dans l'échangeur (4) Dans le réacteur (6) la température du mélange gazeux est portée jusqu'à 880 C. Le mélange gazeux obtenu qui représente un débit massique de 37,2 t/h est mélangé avec un débit de 13,6 t/h de C02 arrivant par le conduit (9). Dans cet exemple, le mélange gazeux sortant du réacteur (6) est envoyé directement au réacteur (12) d'où il ressort avec un débit massique de 50,8 t/h à une température de 900 C. La composition molaire du mélange gazeux obtenu est la suivante : Ci : 0,09 CO : 0,27 C02 : 0,08 H2 0,56 On observe qu'il est ainsi possible de ramener le rapport H2 / CO à une valeur de 2,07, proche de la valeur 2,1 recherchée.
La puissance thermique nécessaire au cours de la première étape est voisine de 36 Gcal/h (42 MW) et la puissance thermique nécessaire au cours de la deuxième étape est voisine de 10 Gcal/h ( 12 MW) Pour obtenir la puissance thermique de 46 Gcal/h ( 54 MW) en une seule passe, on utilise le gaz chaud sous pression issu de la chambre de post-combustion (22) à une température de 1200 C, une pression de 0,4 MPa abs, et un débit de 341 t/h. Ce gaz est introduit en série a travers le second puis le premier réacteur, c'est à dire les réacteurs (12) et (6) respectivement.
Ce gaz chaud sous pression est refroidi à co-courant dans le réacteur (12) jusqu'à 1150 C et entre dans la calandre du premier réacteur (6) via la ligne (15). Il est alors refroidi à contre-courant par l'effluent issu du vaporeformage. Ce gaz chaud sort du premier réacteur à 700 C et environ 0,3 MPa et est expansé au travers d'une turbine de puissance (27) permettant de récupérer 18,5 MW de puissance mécanique, tout en libérant le gaz chaud à 535 C et environ 0,12 MPa abs. Ceci permet de générer environ 18 MW de puissance électrique pour l'exportation.
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Le gaz chaud à 535 C est refroidi à 250 C avant d'être relâché à l'atmosphère, tout en libérant encore 25 Gcal/h (29 MW) de chaleur pour générer 38 t/h de vapeur à 3,5 MPa ; ces 38 t/h de vapeur comprennent 19,5 t/h de vapeur saturée utilisée pour le vaporéformage et 18,5 t/h de vapeur surchauffée à 500 C qui est exportée.
La quantité totale d'énergie consommée sous la forme de gaz combustible brûlé pour produire la quantité requise de gaz chaud à 1200 C et 0,4 MPa abs à la sortie de la chambre de postcombustion, est de 104 Gcal/h ( 120 MW).
Un générateur de gaz provenant d'une turbine à gaz de type Frame 5, opérant en 75 % de la charge maximale est utilisé pour aspirer 331 t/h d'air à 20 C, comprimé à 4 MPa à l'aide du compresseur axial (17) et l'envoyer à la chambre de combustion (19) dans laquelle est ajoutée 5,5 t/h de gaz combustible sous pression ayant un pouvoir calorifique de 10 556 Kcal/kg pour porter la température en sortie de chambre de combustion à 1200 C, avant la turbine de puissance (18) qui entraîne le compresseur axial.
Le gaz sort de la turbine de puissance à 0,4 MPa abs et 680 C via le flux (21) et est envoyé à la chambre de postcombustion (22) ou un flux additionnel sous la forme d'un gaz de combustion sous faible pression (23) de 4,5 t/h et de même chaleur spécifique est admis afin de porter la température du gaz chaud (13) à la valeur de 1200 C requise par la réaction.
Le rendement énergétique global du procédé est calculé ci-dessous : Gaz combustible brûlé Gcal/h MW # Génarateur de gaz ( GE/LM 5000) 57,2 66,0 # Post combustion 46,8 54,0 Total 104,0 120,0 Energie fournie # Chaleur de réaction 46,0 54,0 # Génération d'électricité 15,5 18,0 # Chaleur transmise à la vapeur 25,0 29,0 Total 86,5 101,0 Rendement énergétique global 86,5 / 104 = 0,831 ou 83 %.
Claims (17)
- REVENDICATIONS 1.Installation de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée comprenant au moins un réacteur de vaporeformage, au moins un réacteur de conversion du C02 muni d'au moins un moyen d'alimentation par l'effluent issu du vaporeformage et d'au moins un autre moyen d'alimentation par un gaz comprenant du dioxyde de carbone caractérisé en ce qu'au moins un réacteur de vaporeformage ou de conversion du CO2 est chauffé par un gaz chaud.
- 2. Installation selon la revendication 1 comprenant un réacteur de vaporeformage et un réacteur de conversion du CO2 chauffés par un gaz chaud
- 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le gaz chaud servant à chauffer ledit ou lesdits réacteurs arrive à une pression comprise entre 0,3 et 1 MPa.
- 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3 dans laquelle le gaz chaud provient d'une turbine d'expansion accouplée à au moins un étage de compression et à une chambre de combustion.
- 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant en outre au moins une turbine de détente.
- 6. Installation selon la revendication 5 dans laquelle la turbine de détente entraîne un générateur électrique.
- 7. Installation selon la revendication 6 comprenant en outre une chaudière servant à produire la vapeur nécessaire au réacteur de vaporeformage et alimentée par les gaz issus de la turbine de détente.
- 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel les réacteurs de vaporeformage et de conversion du C02 sont des réacteurs échangeurs compacts.<Desc/Clms Page number 16>
- 9. Installation selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le gaz comprenant du dioxyde de carbone provient d'un recyclage de l'effluent issu du réacteur de conversion du C02.
- 10. Installation selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel le gaz comprenant du dioxyde de carbone provient d'une source naturelle de C02 ou d'un autre procédé générateur de C02.
- 11. Installation selon la revendication 10 dans lequel le CO2 recyclé provient au moins en partie de CO2 séparé et recyclé à la sortie d'une étape de production de gaz de synthèse.
- 12. Procédé de production de gaz de synthèse à partir d'une charge hydrocarbonée utilisant l'installation selon l'une des revendications 1 à 11.
- 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel le gaz chaud sous pression servant à alimenter la partie échangeur des réacteurs échangeurs est généré à l'aide de l'ensemble de turbo-compression comprenant une turbine d'expansion accouplée à au moins un étage de compression et à une chambre de combustion.
- 14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel le gaz utilisé pour l'échange de chaleur et sortant de la partie échangeur du dernier réacteur échangeur est envoyé dans une turbine de détente.
- 15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel la charge hydrocarbonée est un gaz naturel.
- 16. Procédé selon la revendication 15 dans lequel le gaz de synthèse est utilisé dans une unité de synthèse Fischer-Tropsch.
- 17. Procédé selon la revendication 16 dans lequel le gaz comprenant du CO2 qui alimente le réacteur de conversion du C02 est séparé en sortie d'une unité de synthèse Fischer-Tropsch.
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