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CA 02655852 2009-02-27
PROCÉDÉ DE TRAITEMENT DE SABLES OU DE SCHISTES
BITUMINEUX ET DISPOSITIF CORRESPONDANT
L'invention concerne un procédé de traitement de sables ou de schistes
bitumineux et un dispositif correspondant.
Les sables bitumineux de l'Alberta au Canada représentent des réserves
en pétrole équivalentes à celles de l'Arabie Saoudite. Mais cette exploitation
classique est complexe et s'effectue à ce jour par voie minière suivie d'un
lavage à
l'eau chaude qui sert à séparer le sable du bitume. Cette exploitation
présente
d'énormes inconvénients tout d'abord en terme d'eau consommée dont la
quantité requise n'est pas disponible avec les ressources naturelles locales
pour
une exploitation à grande échelle puis en terme d'effluents liquides qui sont
contaminés par des substances toxiques et qui sont stockés sans traitement
dans
des retenues artificielles. Enfin la production d'énergie pour le traitement
de ce
bitume exige des quantités gigantesques de gaz naturel, soit l'équivalent des
réserves de gaz naturel du delta du Mac Kenzie pour le cas des gisements de
sables bitumineux de l'Alberta. Une alternative technologique en développement
est le SAGD ( Steam Assisted Gravity Draining ) qui permet d'exploiter les
couches profondes de sables bitumineux mais requiert l'injection dans le sous
sol
de quantités très importantes de vapeur d'eau avec un ratio de deux sur un
entre
vapeur et bitume.
Plusieurs aspects sont à résoudre, à savoir tout d'abord pouvoir traiter
sans consommation d'eau les sables bitumineux qui sont constitués par un
mélange intime de bitume, de sable et d'eau avec des composés toxiques et en
conséquent pouvoir traiter ces sables bitumineux sans production d'effluents
liquides toxiques comme pour la voie classique.
Le document de brevet US 4 430 195 propose un procédé de traitement
de sables bitumineux consistant à introduire les sables bitumineux dans un
réacteur à lit fluidisé alimenté en sables chauds tout d'abord évacués de ce
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réacteur et ensuite chauffés à haute température au moyen d'un foyer de type
tubulaire vertical associé. Ce foyer est équipé d'un cyclone de séparation de
l'air et
des gaz de combustion qui sont soit rejetés à l'atmosphère soit destinés à
produire
de la vapeur afin d'alimenter le réacteur à lit fluidisé circulant. Le bitume
évaporé
dans le réacteur à lit fluidisé est ensuite dépoussiéré dans un cyclone, avant
d'être
séparé en fractions.
L'invention propose un procédé de traitement des sables bitumineux qui
soit plus adapté à un traitement sans émission de dioxyde de carbone à
l'atmosphère, qui assure la production de bitume pouvant être transportable
par
pipeline sans diluant additionnel à partir du site d'extraction des sables
vers des
raffineries et qui permette de plus de produire de l'énergie en particulier de
l'électricité.
Le procédé de traitement selon l'invention peut également être mis en
oeuvre pour traiter des schistes bitumineux avec les mêmes avantages.
Pour ce faire, l'invention propose un procédé de traitement de sables ou
de schistes bitumineux consistant à chauffer les sables ou les schistes
bitumineux
dans un réacteur au moyen de solides chauds issus d'une chaudière, en un point
dit de soutirage, ledit réacteur étant équipé d'un dispositif de séparation
des
solides et les résidus solides dudit réacteur étant réinjectés dans ladite
chaudière,
caractérisé en ce que ladite chaudière est un lit fluidisé rapide équipé d'un
dispositif de capture du dioxyde de carbone et en ce que le bitume est fondu à
l'état liquide dans ledit réacteur, ledit dispositif de séparation étant un
dispositif de
séparation des solides et du bitume liquide.
L'invention proposée permet d'éviter le chauffage et le traitement
classique du bitume par eau chaude en utilisant la caractéristique
fondamentale
des sables ou des schistes bitumineux de contenir du sable ou du schiste qui
est
utilisé comme solide chaud caloporteur pour fondre les sables ou les schistes
bitumineux avant d'être séparé du bitume.
Grâce à l'invention, il peut être réalisé des installations modulaires dont
les
coûts d'installation sont impactés par les conditions climatiques extrêmes.
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Le résidu de l'adoucissement du bitume avant exportation vers des
raffineries est utilisé comme combustible de production d'énergie.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce
procédé, caractérisé en ce que ledit réacteur est un réacteur mélangeur
incliné
vers le bas, à écoulement gravitaire.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce
procédé, caractérisé en ce que ledit réacteur comporte une pluralité de tubes
sensiblement verticaux dans lesquels sont introduits les sables ou schistes
bitumineux ou des solides chauds issus du dit point de soutirage, le reste de
l'espace du réacteur étant rempli d'une circulation des solides chauds issus
du dit
point de soutirage ou des sables ou schistes bitumineux.
L'invention est décrite ci-après à l'aide de figures ne représentant que des
modes de réalisation préférés de l'invention.
La figure 1 illustre le procédé de traitement de sables bitumineux
conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe verticale d'un dispositif pour la mise en
oeuvre de ce procédé, selon un premier mode de réalisation conforme à.
l'invention.
La figure 3 une vue en coupe verticale de détail d'un dispositif pour la
mise en oeuvre de ce procédé, selon une variante de ce premier mode de
réalisation conforme à l'invention.
La figure 4A est une vue en coupe verticale selon IV-IV de la figure 4B.
La figure 4B est une vue en coupe horizontale selon V-V de la figure 2.
La figure 5A est une vue en coupe verticale d'une buse de fluidisation,
partie de l'invention.
Les figures 5B et 5C sont des vues de dessus de cette buse de fluidisation,
selon deux variantes de réalisation.
Les figures 6A et 6B sont des vues en coupe verticale d'un dispositif pour
la mise en oeuvre de ce procédé, selon un second mode de réalisation conforme
à
l'invention.
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Les figures 7A et 7B sont des vues en coupe longitudinale et transversale
d'un rebouilleur pour la mise en oeuvre de ce procédé, selon un premier mode
de
réalisation conforme à l'invention.
Les figures 8A et 8B sont des vues en coupe longitudinale et transversale
d'un rebouilleur pour la mise en oeuvre de ce procédé, selon un second mode de
réalisation conforme à l'invention.
Comme représenté sur les figures 1 et 2, l'invention propose un procédé
de traitement de sables bitumineux consistant à chauffer les sables bitumineux
SB
après émottage et éventuel pré-séchage 8, dans un réacteur mélangeur 2 au
moyen de solides chauds issus d'une chaudière 3, en un point dit de soutirage
4S.
Dans le cas où la teneur en humidité des sables bitumineux est supérieure
à 20 %, il est économique de sécher préalablement les sables, avant leur
traitement. Sinon cette évaporation est mélangée aux fractions volatiles
issues du
traitement, ce qui augmente la taille de l'unité de traitement et rend plus
difficile
la valorisation de ces effluents gazeux combustibles FV, partiellement
autoconsommés par la chaudière.
Ce pré-séchage 8 peut s'effectuer
- en tambour tournant possédant des profilés internes d'émottage, le
chauffage étant réalisé par une double enveloppe chauffée ;
- un lit mobile type échangeurs à baïonnette ;
- un lit fluidisé à pluie de particules ;
- préférablement une série d'échangeurs cyclones à passage direct et
interconnectés.
La chaudière 3 est un lit fluidisé rapide équipé d'un dispositif de capture
du dioxyde de carbone C02 et comporte au moins un foyer à lit fluidisé 3A
équipé
d'un dispositif de séparation 3B de type cyclone de séparation des solides et
des
gaz traités pour la production d'énergie, une conduite de retour des solides
3C en
sortie de ce séparateur 3B vers le foyer 3A comportant un tronçon en forme de
U
3D formant siphon et les solides sont soutirés dans cette conduite, au niveau
de
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ce tronçon en U, avec contrôle de leur débit. Les solides ont à ce point une
température comprise entre 600 et 900 C.
La chaudière 3 à lit fluidisé rapide selon l'invention est adaptée pour
prendre avantage des débits de solides en circulation, environ 15000
tonnes/heure
5 pour une chaudière de 250 MWe qui utilise 120 t/h de combustible. Ceci est à
comparer pour une unité de 200 000 barils/jour de bitume soit 1358 m3/heure de
bitume ou encore 9055 m3/h de sables bruts contenant 16,3 % de bitume. Soit
7000 tonnes/ heure de sables bitumineux à réchauffer de -20 à 400 C. On
voit
que les ordres de grandeur des débits de solides en circulation dans la
chaudière à
lit fluidisé rapide et des débits de sables à traiter sont compatibles mais
exigent
une chaudière de conception particulière puisque la puissance nécessaire au
réchauffage de bitume remplace la puissance de réchauffage d'eau alimentaire
et
de vaporisation dans une boucle circulante classique où en particulier foyer
et
cyclone sont pourvus de parois tubées de circulation d'eau. Cette chaudière ne
comporte pas de surchauffe ni de resurchauffe comme dans les centrales
classiques, mais produit uniquement de l'émulsion eau vapeur dans sa partie
arrière en aval du ou des cyclone(s) 3B et est dépourvue de parois tubées et
d'échangeurs complémentaires. Cette émulsion eau vapeur est précisément
requise par la technologie SAGD, ce qui met en valeur la complémentarité des
fonctions de la chaudière.
Le combustible CS alimentant cette chaudière à lit fluidisé rapide, qui
produit non seulement de la vapeur procédé mais aussi de la vapeur énergie,
est
du type coke de pétrole CP issu de la conversion ultime du bitume produit,
mais
est constitué aussi par les dépôts carbonés accumulés sur les sables après
fusion
et séparation du bitume. Ces dépôts carbonés sont éliminés par un recyclage
final
des solides RS traités dans le foyer de la chaudière avant leur extraction de
la
boucle circulante, afin de n'extraire que des solides non contaminés SNC.
Pour capturer in situ le C02 dégagé, la chaudière 3 à lit fluidisé rapide
peut fonctionner selon différents modes :
- en combustion à l'air suivie d'une post capture de CO2r
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- en combustion à l'air enrichi suivie d'une post capture de C02,
- en combustion à l'oxygène et fumées recyclées riches en C02,
- ou sur soutirage de solides d'une boucle de cycle thermochimique.
Le bitume est fondu à l'état liquide dans le réacteur mélangeur 2 qui est
équipé d'un dispositif de séparation 4 des solides RS et du bitume liquide BL,
de
préférence un hydro-cyclone ou une cascade d'hydro-cyclones disposés en amont
du réacteur mélangeur 2 et les résidus solides RS du réacteur mélangeur sont
réinjectés dans la chaudière 3A.
Les gaz G issus du lit fluidisé rapide assurent la production de vapeur. La
vapeur vive W permet la production d'électricité.
La chaudière 3 à lit fluidisé rapide assure la production de vapeur FV
saturée/émulsion dont une fraction est injectée sur un site d'exploitation par
SAGD des sables bitumineux, afin de fluidifier le bitume de ces sables en
couches
profondes. La qualité de l'eau récupérée pose un problème, car le SAGD
fonctionne en vapeur perdue et l'eau récupérée est absolument impropre à une
utilisation d'eau chaudière compte tenu des teneurs en impuretés du type
silice,
oxydes de fer et traces d'hydrocarbures. Une autre fraction est utilisée par
la
chaudière 3A en tant qu'autoconsommation de gaz de combustion.
Le traitement des eaux résiduelles est réalisé au moyen d'un rebouilleur 5
représenté sur les figures 7 ou 8. Ce rebouilleur 5 comporte des tubes 5A
droits,
horizontaux comme illustrés sur les figures 7A et 7B ou verticaux comme
illustrés
sur les figures 8A et 8B, ramonables, parcourus à leur intérieur par l'eau
chargée
récupérée ES, de façon à vaporiser cette eau chargée par soit de la vapeur,
soit
de l'émulsion, alimentée à l'extérieur des tubes par des solides caloporteurs
SC à
température contrôlée qui offrent un fort coefficient de transfert par
convection/rayonnement qui est cinq à huit fois plus élevés que du gaz, ce qui
augmente la compacité de tels dispositifs de productions de vapeur.
Les échangeurs tubulaires 5A de ces évaporateurs d'eau chargée sont
donc soit horizontaux soit verticaux et présentent un passage droit permettant
de
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les nettoyer périodiquement de leurs dépôts internes. Ces échangeurs peuvent
être arrangés en modules élémentaires de paquets de tubes.
Le bitume liquide BL est décanté au moyen d'un compartiment fluidisé à
chaud 7A, en aval du dispositif de séparation des solides et du bitume liquide
4. Le
bitume liquide est ensuite soumis à un traitement 7, en aval du dispositif de
séparation 4, d'où est extrait du pétrole brut adouci P, le résidu de ce
traitement
étant exporté en partie et réinjecté en partie dans le foyer 3A de la
chaudière à lit
fluidisé rapide.
Selon un premier mode de réalisation illustré sur la figure 2, le réacteur
mélangeur 2 est un réacteur mélangeur incliné vers le bas, à écoulement
gravitaire.
Selon une première variante de réalisation, ce réacteur mélangeur 2 est
un lit fluidisé mobile pourvu de buses de fluidisation à éjection radiale qui
seront
décrites plus loin en référence aux figures 5A à 5C.
Un compartiment fluidisé de refroidissement 9 avec échangeur 9C est
intercalé entre le point de soutirage 4S et le réacteur mélangeur à lit
fluidisé
mobile 2, afin d'assurer le contrôle de la température des solides. Les
solides
chauds soutirés au point de soutirage 4S sont introduits en sur-verse 9A et
sous-
verse 9B dans ce compartiment 9, afin d'ajuster la température des solides
mélangés à une valeur suffisamment faible, de l'ordre de 400 à 600 C et
d'éviter
une cokéfaction indésirable. Ce compartiment 9 est pourvu d'un déversoir 9D de
sortie des solides refroidis.
De ce compartiment 9, sont évacués des fractions volatiles et de l'humidité
évaporée FV par un évent en partie haute.
Les sables bitumineux SB pulvérulents sont en aval de ce compartiment de
refroidissement 9 introduits dans le réacteur mélangeur 2 incliné vers le bas,
à
écoulement gravitaire et formant, selon le mode de réalisation illustré sur la
figure
2, un lit mobile de solides chauds, circulant dans une conduite inclinée vers
le bas.
Il y est réalisé une fusion progressive des sables introduits par
incorporation avec
les solides chauds provenant du compartiment 9.
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La hauteur h de descente en lit mobile crée une charge hydrostatique
permettant de compenser la perte de charge des hydro-cyclones 4 disposés en
aval et au bas desquels sont récupérés les sables RS qui sont transférés
encore
chargés de dépôts de carbone dans le bas du foyer 3A du lit fluidisé rapide,
et au
sommet desquels est récupéré du bitume liquide BL.
Le bitume quant à lui est transféré dans le compartiment de décantation
7A fluidisé à chaud et à fond incliné puis vers le dispositif de traitement 7.
Pour améliorer le taux de séparation du ou des hydro-cyclone(s) 4,
plusieurs voies sont possibles :
- pompage en amont des hydro-cyclones 7 avec l'inconvénient des charges en
sables qui entraînent une érosion des pompes, d'où la nécessité d'une
préchambre 6 chicanée de séparation gravitaire telle qu'illustrée sur les
figures
4A et 4B,
- pressurisation du foyer 3A jusque trois bars, ce qui augmente d'autant la
perte de charge disponible pour les hydro-cyclones 7 par une mise en vitesse
beaucoup plus élevée.
Selon une variante de réalisation, le réacteur mélangeur 2 est un tambour
rotatif 2' à nervures internes de relevage, représenté sur la figure 3.
Ce réacteur mélangeur 2' à effet mécanique et écoulement gravitaire est
constitué d'un tambour rotatif possédant des nervures internes 2'A de relevage
des solides le parcourant , ce qui réalise le mélange intime des sables
bitumineux
SB et des solides chauds soutirés de la boucle circulante au point de
soutirage 4S,
et assure la fusion progressive du bitume contenu dans les sables.
Les figures 4A et 4B représente un mode de réalisation de la préchambre
6 chicanée de séparation gravitaire, disposée en amont des hydro-cyclones 7.
Cette préchambre 6 est constituée d'une série de bacs adjacents 6 A à 6D
disposés en quinconce, c'est-à-dire reliés par des ouvertures ou déversoirs 6E
disposées en alternance sur les parois latérales de la chambre, afin de former
un
méandre de passage du mélange de sables et de bitume liquide qui y est
introduit
en sortie du réacteur mélangeur 2.
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Ces bacs comportent tous un fond incliné en entonnoir d'extraction des
sables ou résidus solides RS et sont pourvus d'injections de gaz de bullage
6F.
Les figures 5A à 5C représentent quant à elles une buse de fluidisation 10
telle que comporte le réacteur mélangeur 2 ainsi que le foyer 3A de la
chaudière à
lit fluidisé rapide 3.
Ces buses de fluidisation doivent être capables de s'accommoder de
fractions granulométriques grossières et fines, s'agissant de matériaux
naturels. Le
principe est de minimiser le nombre de ces buses qui comportent une éjection
radiale du moyen de fluidisation, par exemple de l'air, grâce à une
configuration
de disques superposés continus 10A à 10D comme représentées sur la figure 5B
ou segmentés 10A' à 10D' comme représentées sur la figure 5C.
Chaque buse 10 comporte une entrée axiale 10E comportant une double
enveloppe afin de créer un effet siphon et bloquer la remontée des solides
vers
l'entrée d'un moyen de fluidisation, sachant que les solides éventuellement
introduits sont chassés radialement par une sortie en lame formant des jets à
haute vitesse modulée, cassant les mottes de sables éventuellement agglomérés.
Cette entrée assure le passage latéral du moyen de fluidisation à l'intérieur
des disques 10A à 10D ou des segments de disques 10A' à lOD'.
Une rigole de collecte 10G de grosses particules introduites avec les sables
bitumineux est aménagée en bas des parois latérales du mélangeur 2 pour leur
évacuation gravitaire et leur recyclage dans le foyer 3A de la chaudière 3 à
lit
fluidisé rapide.
Dans les modes de réalisation déjà décrits, il est réalisé dans le réacteur
mélangeur 2 ou 2' un mélange direct des solides chauds soutirés de la
chaudière 3
et des sables bitumineux.
Selon un autre mode de réalisation, la fusion du bitume est effectuée par
contact indirect des solides chauds soutirés de la chaudière 3 et des sables
bitumineux. Ce mode de réalisation est illustré sur les figures 6A et 6B.
Le réacteur 11, 12 utilisé et disposé en aval du compartiment de
refroidissement 9 est de type échangeur constitué de tubes verticaux de grand
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diamètre avec un écoulement en lit mobile à débit contrôlé et comporte alors
une
pluralité de tubes 11A, 12A sensiblement verticaux dans lesquels sont
introduits
les sables bitumineux comme illustré sur la figure 6A ou les solides chauds
provenant du compartiment de refroidissement 9 comme illustré sur la figure
6B,
5 le reste de l'espace du réacteur 11, 12 étant rempli par une circulation des
solides
chauds provenant du compartiment de refroidissement 9 comme illustré sur la
figure 6A ou des sables bitumineux SB comme illustré sur la figure 6B.
Les réacteurs 11, 12 comportent en amont des tubes verticaux 11A, 12A
des répartiteurs 11C, 12C en forme de tubes ou barres horizontaux agencés sur
10 au moins un niveau.
Selon la première variante représentées sur la figure 6A, où les sables
bitumineux sont introduits dans les tubes verticaux 11A et le reste de
l'espace du
réacteur est rempli par une circulation des solides chauds caloporteurs
provenant
du compartiment fluidisé de refroidissement 9, des parois horizontales ou
inclinées
de moins de 45 11B alternées assurent avantageusement une circulation en
méandre des solides chauds caloporteurs. Les solides chauds caloporteurs sont
évacués par une sortie latérale B et sont réinjectés dans le foyer 3A de la
chaudière à lit fluidisé rapide. Le sable et le bitume fondu sont eux évacuées
par
gravité par une sortie A axiale inférieure, pour être envoyés dans la
préchambre 6
et les hydro-cyclones 4.
Selon la seconde variante représentées sur la figure 6B, où les solides
caloporteurs sont introduits dans les tubes verticaux 12A et le reste de
l'espace du
réacteur est rempli par une circulation des sables bitumineux, des parois
horizontales ou inclinées de moins de 45 alternées peuvent également être
prévues pour assurer une circulation en méandre des sables bitumineux. Les
sables et le bitume fondu sont évacués par une sortie latérale A' grâce à une
paroi
inclinée 12B formant le fond du réacteur 12 et sont envoyés dans la préchambre
6
et les hydro-cyclones 4. Les solides sont eux évacuées par gravité par une
sortie
B' inférieure sous la paroi inclinée 12B traversée par les tubes 12 A et sont
réinjectés dans le foyer 3A de la chaudière à lit fluidisé rapide.
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Selon ces deux variantes de réalisation, la fusion indirecte des sables
bitumineux s'effectue donc par échange de chaleur solides/solides.
L'installation conforme à l'invention est donc modulaire, locale et
autonome en énergie et permet la production de pétrole brut conventionnel à
partir de sables bitumineux tout en assurant la production d'électricité et de
vapeur destinée à une exploitation SAGD voisine et tout en assurant la capture
du
dioxyde de carbone.
L'invention est précédemment décrite en tant que procédé de traitement
de sables bitumineux. Ce procédé de traitement et le dispositif correspondant
peuvent également être mis en oeuvre pour traiter des schistes bitumineux avec
les mêmes avantages, hors les applications SAGD spécifiques aux sables
bitumineux.
