Maîtrise des procédés d`oxy-combustion avec recyclage des fumées

Organisme bénéficiaire : INERIS
Direction : Direction des Risques Accidentels
Adresse : Parc Technologique ALATA – BP2
60550 Verneuil-en-Halatte
Responsable des travaux : Samantha LIM
Téléphone : 03.44.55.61.33
01/09/2009
Maîtrise des procédés d’oxy-combustion avec
recyclage des fumées en vue de la production
d’énergie couplée au captage du CO2
(OXYCOMB) – Rapport final
Control of oxyfuel processes with flue gas
recycling for energy production coupled with
CO2 capture (OXYCOMB) –Final report
Samantha Lim, Laurent Dupont (INERIS)
Ammar Bensakhria, Mikel Leturia (UTC)
N° contrat ADEME 07 74 C0099
Date de notification du contrat : 5 février 2008
Durée du contrat : 19 mois
Responsable ADEME : Mme Nathalie THYBAUD
Confidentialité : Non
TABLE DES MATIÈRES
1. PRESENTATION DU PROJET OXYCOMB .....................................................6
1.1 Présentation de la technologie d’oxycombustion ..........................................6
1.2 Cadre du projet OXYCOMB ..........................................................................7
2. CARACTERISTIQUES D’EXPLOSIVITE DU METHANE DANS L’AIR ET
DANS L’OXYGENE ..........................................................................................9
2.1 Objectif ..........................................................................................................9
2.2 Définitions .....................................................................................................9
2.3 Caractéristiques physico-chimiques du méthane ........................................10
2.4 Domaine d’explosivité du méthane .............................................................10
2.4.1 Energie Minimale d’inflammation ............................................................. 10
2.4.2 Limites d’explosivité................................................................................. 10
2.5 Domaine d’explosivite du méthane dans l’oxygène pur ..............................13
2.5.1 Limites d’explosivité du méthane à pression atmosphérique et température
ambiante.................................................................................................. 13
2.5.2 Influence de la pression sur les limites d’explosivité du méthane dans
l’oxygène pur ........................................................................................... 14
2.6 Influence des gaz inertes sur le Domaine d’explosivite des mélanges
CH4/air/CO2 et CH4/O2/CO2 .........................................................................14
2.6.1 Mélanges CH4/Air/gaz inertes.................................................................. 14
2.6.2 Mélanges CH4 / O2 / Gaz inertes ............................................................. 16
2.7 Température d’auto-inflammation (TAI).......................................................17
2.7.1 TAI des mélanges CH4/air ....................................................................... 17
2.7.2 TAI des mélanges CH4/Air/CO2 ............................................................... 17
2.7.3 Influence de la pression sur la TAI........................................................... 18
2.7.4 Influence d’une atmosphère enrichie en oxygène ................................... 18
2.8 Violence d’explosion des mélanges CH4/Air et CH4/O2 ...............................18
2.8.1 Pression maximale d’explosion (Pmax) ................................................... 19
2.8.2 Vitesse maximale de montée en pression ............................................... 19
2.9 Synthèse : Essais à réaliser ........................................................................19
2.10 Explosivité des mélanges méthane / oxygène / dioxyde de carbone ..........20
2.10.1
Matériel et méthode........................................................................... 20
2.10.2
Résultats ........................................................................................... 24
DRA-08-93197-14165B
Page 1 sur 111
2.11 Auto-inflammation des mélanges méthane / oxygène / dioxyde de carbone28
2.11.1
Matériel et méthode........................................................................... 28
2.11.2
Résultats............................................................................................ 29
3. ETUDE DE L’OXY-COMBUSTION DU GAZ NATUREL AVEC RECYCLAGE
DES FUMEES ET SEPARATION DU MELANGE CO2/H2O.......................... 35
3.1 Etude des aspects thermiques de l’oxy-combustion................................... 35
3.1.1 Description de l’installation ...................................................................... 36
3.1.2 Les essais réalisés................................................................................... 45
3.1.3 Résultats obtenus .................................................................................... 50
3.1.3.2
Transfert de chaleur .......................................................................... 60
3.2 Etude de la séparation CO2/H2O ................................................................ 67
3.2.1 Objectifs................................................................................................... 67
3.2.2 Description de l’installation ...................................................................... 67
3.2.3 Résultats obtenus .................................................................................... 72
3.2.4 Dimensionnement d’un condenseur......................................................... 77
3.3 Conclusions................................................................................................ 86
4. EVALUATION DES RISQUES DE L’INSTALLATION D’OXY-COMBUSTION87
4.1 Introduction................................................................................................. 87
4.1.1 Objectif..................................................................................................... 87
4.1.2 Structure du document............................................................................. 87
4.2 Méthodes d’analyse des risques ................................................................ 87
4.2.1 Objectifs de l’analyse de risques.............................................................. 87
4.2.2 Principe de l’APR ..................................................................................... 88
4.2.3 Déroulement de l’APR en séance ............................................................ 88
4.3 Identification des potentiels de dangers ..................................................... 92
4.3.1 Caractéristiques physico-chimiques des produits mis en œuvre ............. 92
4.3.2 Réduction du risque à la source .............................................................. 95
4.4 Analyse du retour d’expérience .................................................................. 95
4.4.1 Retour d’expérience interne..................................................................... 96
4.4.2 Retour d’expérience externe .................................................................... 96
4.4.3 Enseignements ........................................................................................ 98
4.5 Analyse de risques associés aux installations............................................ 98
4.5.1 Généralités sur les risques d’incendie et d’explosion............................... 98
4.5.2 Synthèse des phénomènes dangereux issus de l’AR ............................ 100
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4.6 Propositions de recommandations de sécurité pour les installations
d’oxycombustion au gaz naturel................................................................102
4.6.1 Recommandations relatives à l’ingénierie et la conception ................... 102
4.6.2 Recommandations relatives aux phases d’exploitation (démarrage, arrêt,
opération, urgence, maintenance) ......................................................... 105
5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES..........................................................108
6. BIBLIOGRAPHIE .........................................................................................110
7. LISTE DES ANNEXES .................................................................................111
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GLOSSAIRE
APR
Analyse Préliminaire des Risques
ATEX
Atmosphère Explosive
CLO
Concentration Limite en Oxygène
FGR
Flue Gas Recycling
LIE
Limite Inférieure d’Explosivité
LSE
Limite Supérieure d’Explosivité
TAI
Température d’Auto-Inflammation
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1. PRESENTATION DU PROJET OXYCOMB
1.1 PRESENTATION DE LA TECHNOLOGIE D’OXYCOMBUSTION
On distingue actuellement trois types de procédé de captage de CO2 :
-
Captage en postcombustion
Système de capture en aval de la combustion sur les fumées primaires issues
d’installations thermiques existantes (combustion, incinération). La
postcombustion est couramment réalisée par absorption à l’aide de solvants à
base d’amines (MEA, MDEA) et par régénération par chauffage. La présence
d’oxygène résiduel dans les fumées de combustion conduit cependant à
l’oxydation progressive des solutions de capture, grevant les coûts opératoire
de ce type de procédé, par la consommation d’amines et la formation de
déchets liquides acides à éliminer.
-
Captage en précombustion
Système à décarbonisation avant combustion où le combustible est d’abord
gazéifié à l’oxygène et/ou à la vapeur d’eau pour produire essentiellement un
mélange CO + H2, le CO étant reformé à la vapeur d’eau, en réacteur
catalytique, pour fournir du CO2 et de l’hydrogène. Le CO2 est ensuite séparé
et l’hydrogène utilisé comme gaz combustible en chambre de combustion à
l’air. Cette voie nécessite de nouveaux équipements, aussi bien pour la
production du gaz de synthèse que pour la combustion à l’hydrogène.
-
Captage en oxycombustion
Système de capture sur fumées concentrées en CO2, telles qu’issues
d’installations thermiques à fonctionnement modifié (oxycombustion/recyclage
de fumées, Flue Gas Recycle – FGR, …) ou à fonctionnement thermochimique
(oxy-gaséification, Chemical Looping Combustion). Dans ces conditions, les
concentrations en CO2 peuvent atteindre 95-98% en volumes, facilitant ainsi sa
capture en aval de la combustion. Dans le cas des systèmes O2/FGR, ces
concentrations élevées peuvent être obtenues par simple condensation des
fumées en sortie.
Un effort important de la recherche actuelle porte sur l’oxycombustion, dans une
atmosphère enrichie en oxygène (en séparant l’azote de l’air). Ces procédés ont
plusieurs avantages :
-
conversion de 90 à 95% du CO2
-
réduction de la taille des unités de production par la diminution des flux gazeux
mis en jeu,
-
réduction des émissions de NOx à moins de 1 ppmv dès lors que la formation
du NOx thermique en atmosphère appauvrie en azote est négligeable,
-
éventuelles suppressions d’unités de traitement des gaz de combustion car les
SOx pourraient potentiellement être capturés et stockés avec le CO2.
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Les procédés envisagés impliquent la recirculation des fumées de combustion
(CO2 et H2O) après prélèvement en aval et mélange en amont du foyer avec
l’oxygène pour contrôler et limiter la température de combustion et permettre aux
équipements de supporter la température réactionnelle (« Flue gas recycling –
FGR »).
1.2 CADRE DU PROJET OXYCOMB
La maîtrise de la technique de captage et de stockage du CO2 est un enjeu
environnemental de premier ordre pour tenter de diminuer la quantité de gaz à
effet de serre rejetée dans l’atmosphère. Mais ce sera aussi une technologie
coûteuse qui doit être optimisée, y compris sur le plan de l’énergie consommée et
de la quantité de CO2 secondaire produite.
La prise en compte des contraintes technologiques et des risques associés à ce
procédé en amont du déploiement industriel des solutions de captage permettra
en outre d’éviter des accidents / incidents qui pourraient retarder le
développement de la filière.
Dans ce cadre, le projet OXYCOMB a pour objectif :
-
de mettre en œuvre une installation semi-industrielle d’oxy-combustion
avec recyclage des fumées et séparation du CO2 produit par condensation,
et d’optimiser les paramètres d’exploitation de cette technologie,
notamment au niveau de la récupération d’énergie calorifique et de la
qualité du CO2 produit,
-
d’analyser la composition des fumées de combustion notamment en
identifiant et en quantifiant les différentes impuretés,
-
de définir les critères de sécurité et des règles de bonnes pratiques
nécessaires au dimensionnement d’installations d’oxy-combustion afin que
les risques soient pris en compte dès la conception des installations et
correctement maîtrisés lors de leur exploitation.
Ainsi, le projet est articulé autour des quatre tâches suivantes :
-
Tâche 1 : Conception et assemblage des différentes unités de l’installation
d’oxy-combustion,
-
Tâche 2 : Détermination expérimentale des caractéristiques d’explosivité du
méthane dans l’air et dans l’oxygène,
-
Tâche 3 : Evaluation et maîtrise des risques de l’installation d’oxy-combustion,
-
Tâche 4 : Validation et optimisation du pilote de démonstration et
caractérisation des fumées de combustion.
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Le présent rapport présente les résultats de ce projet. Dans un premier temps, les
caractéristiques d’explosivité du méthane dans l’installation d’oxycombustion
seront présentées. Puis, après une présentation de l’installation montée pour les
fins du projet, les résultats expérimentaux seront présentés et analysés. Enfin,
l’évaluation des risques de l’installation sera présentée ainsi que les
recommandations de sécurité en termes de conception, d’exploitation et de
maintenance issues des bonnes pratiques et de la phase expérimentale du projet
seront détaillées.
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