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Procédé intégré de traitement et de gazéification de charges bitumineuses en
combustion en boucle chimique
Domaine de l'invention
Compte tenu des évolutions climatiques observées ces dernières décennies et de
celles
prévisibles à long terme, la maîtrise des émissions de gaz à effet de serre
devient une
exigence de plus en plus forte pour tous les secteurs économiques, et en
particulier ceux
concernant la production d'énergie. Parallèlement les ressources en énergie
fossile tendent
à diminuer, ce qui favorise l'exploitation d'hydrocarbures de plus en plus
lourds et de plus en
plus complexes et coûteux à exploiter, tels que les sables et schistes
bitumineux. Pour
extraire ces charges, il est nécessaire d'apporter de grandes quantités de
chaleur. Cette
chaleur est typiquement fournie par combustion de gaz naturel. Les unités de
traitement de
sable bitumineux sont des unités émettrices de C02 étant donné que la
combustion du
méthane est effectuée à l'air. Une des différentes voies possibles pour
maîtriser les rejets de
gaz à effet de serre à l'atmosphère est le captage et la séquestration du
carbone. Parmi les
moyens permettant la capture du C02 dans les unités de traitement de sables
et/ou de
schistes bitumineux, la combustion en boucle chimique présente l'avantage de
produire des
fumées de combustion exemptes d'azote venant de l'air de combustion.
Ainsi, dans l'hypothèse d'un gaz, d'un solide et/ou d'un liquide brûlant
complètement avec de
l'oxygène apporté, par exemple, par des particules comme des oxydes
métalliques, les
fumées seraient seulement composées de C02 et de vapeur d'eau qui, refroidies
en dessous
de 100 C et débarrassées de l'eau condensée, consisteraient en du C02 quasi
pur pouvant
être séquestré.
La combustion en boucle chimique (ou en anglais CLC pour Chemical Looping
Combustion),
présente un potentiel important en termes d'efficacité énergétique et de
réduction des coûts.
Ce procédé permet de s'affranchir de la pénalité énergétique liée à la
séparation de
l'oxygène de l'air. Il repose sur la capacité de transfert d'oxygène de
certains matériaux tels
que les oxydes métalliques. Dans le procédé CLC, un réacteur à air sert à
oxyder les
transporteurs d'oxygène préparés sous forme de fines particules qui sont alors
transférées
dans un réacteur à combustible où elles sont réduites par combustion du
combustible.
Lorsque la quantité d'oxygène est en excès par rapport aux besoins requis pour
conduire la
combustion, la boucle chimique permet d'effectuer une combustion totale du
combustible et
de produire des fumées contenant essentiellement du C02 tout en maximisant
l'énergie
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produite. En limitant l'apport d'oxygène, par exemple grâce à un contrôle de
la circulation des
masses oxydantes, il est également possible de réaliser une combustion
partielle du
combustible et de produire des fumées constituées au moins en partie d'un
mélange CO, H2
qui, après traitement et purification en aval peut servir de charge à des
procédés de
transformation ou de production d'énergie. Cette combustion partielle limite
la production
énergétique, mais permet ensuite de valoriser les fumées produites contenant
l'hydrogène.
Art antérieur
Les sables bitumineux constituent l'une des plus grandes ressources
d'hydrocarbures.
Cependant ces ressources posent des difficultés d'exploitation du fait de
leurs fortes densités
et viscosité, et présentent généralement un degré API inférieur à 10 API. Ils
se présentent
sous la forme d'une composante organique et d'une composante minérale. La
composante
organique est aussi appelée bitume. La composante minérale est constituée, par
exemple,
de sable, d'argile, de métaux ou d'oxydes métalliques. Typiquement, un sable
bitumineux a
une composante organique qui représente environ un dixième de sa masse mais
cette
teneur peut être fortement variable.
Dans le cas des sables bitumineux extraits d'une mine, les procédés de
séparation du
bitume du sable sont pour la plupart basés sur la méthode de flottation
développée par
Clark. Il s'agit de mettre le sable bitumineux en présence d'eau chaude
(généralement à
82 C, température à laquelle le différentiel de densité est maximal entre le
bitume et l'eau)
et de soude (à une concentration comprise entre 0,03 et 0,1 % poids de NaOH),
tel que
décrit dans l'article "The Chemistry of Alberta Oil Sands, Bitumens and Heavy
Oils, O.P.
Strausz, E.M. Lown, Alberta Energy Research Institute, Calgary, Alberta,
Canada, 2003, p.
57-67."
Le mécanisme de séparation correspond à une séparation par flottation où le
bitume forme
une mousse en se fixant à des bulles d'air, le sable se déposant au fond du
réacteur de
traitement. Trois flux sont produits : un flux de solide comprenant le sable
et moins de 5% du
bitume, un flux d'eau basique contenant quelques pourcents du bitume (environ
5% poids) et
enfin une mousse dans laquelle on retrouve la quasi totalité (fraction
supérieure à 90%
poids) du bitume initial. La phase aqueuse est traitée avec un solvant
organique (type
essence) pour récupérer le bitume et augmenter le taux de récupération du
bitume et le
porter au delà de 95%.
Dans le cas des sables bitumineux profonds, le procédé de séparation
généralement utilisé
consiste à injecter de la vapeur sous pression dans la formation géologique
contenant le
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sable bitumineux. La chaleur apportée par la vapeur fluidifie la composante
organique qui va
descendre vers le fond de la formation par gravité et où elle est récupérée
par des conduites
souterraines dédiées.
Que ce soit dans le cas d'un procédé in-situ où l'on injecte de la vapeur dans
le sol où l'on
récupère directement du bitume, ou dans le cas d'un procédé minier où le
bitume est extrait
du sol avec le sable puis séparé à l'eau chaude et à la soude, de grandes
quantités d'eau et
de chaleur sont nécessaires. Dans la quasi totalité des cas, la chaleur est
apportée par la
combustion de gaz naturel importé sur le site de production, et ce sans
captage du dioxyde
de carbone (C02) produit. Cela implique la connexion du site au réseau de gaz
naturel
souvent distant des sites de production, et la combustion de gaz naturel dont
le prix évolue
avec celui du pétrole et est amené à augmenter dans les années à venir.
L'ordre de
grandeur de la consommation de gaz naturel est de 10 à 30 m3 de gaz naturel
brûlé par baril
d'Athabasca produit selon que le bitume est respectivement récupéré par minage
de surface
ou par gravitation assistée à la vapeur (Canadian Energy Research, CERI study
n 108 in
"Overview of Canadian Oil Industry", 2004.). Pour une production de 100 000
barils par jour,
la consommation totale de gaz naturel est de plus de 300.106 m3 par an.
La combustion en boucle chimique est un procédé de type oxycombustion dans
lequel un
hydrocarbure s'oxyde au contact d'un solide transporteur d'oxygène. Son
fonctionnement est
basé sur le passage réversible de ce solide entre deux degrés d'oxydation
distincts par gain
ou perte d'atomes d'oxygène en fonction du milieu et des conditions
réactionnels. Pour
réaliser cette alternance, une possibilité est de mettre en oeuvre un lit
circulant où le solide
est transporté d'un milieu réactionnel oxydant à un milieu réactionnel
réducteur.
Cette technologie complexe a fait l'objet de dépôt de brevets qui sont
principalement basés
sur la combustion de charges quasi exclusivement composées d'hydrocarbures,
que ceux-ci
soient gazeux (US 5,447,024), liquides ou solides (FR 2 850 156).
La demanderesse a développé un procédé de traitement de charges comme les
sables ou
les schistes bitumineux comprenant à la fois une composante minérale, comme du
sable ou
de l'argile, et une composante organique, comme un hydrocarbure de type
bitume, l'énergie
nécessaire au fonctionnement du procédé étant fournie préférentiellement par
la combustion
de cette même composante organique dans une boucle de combustion chimique. Ce
mode
de production d'énergie est particulièrement intéressant dans le cadre de
l'extraction des
charges bitumineuses dans le sens où il permet l'exploitation d'une source
d'énergie locale et
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non raffinée tout en permettant de limiter l'impact environnemental par un
captage facilité
des gaz à effet de serre et plus particulièrement du C02 et par une économie
potentielle des
ressources en eau.
Résumé de l'invention
L'invention concerne l'intégration optimisée d'un procédé de combustion en
boucle chimique
(ou CLC : Chemical Looping Combustion) adaptée à la production d'énergie pour
le
traitement des sables bitumineux et optionnellement pour la gazéification des
sables et/ou
des schistes bitumineux. Elle a pour objet un procédé de traitement de charges
bitumineuses
dans lequel l'énergie nécessaire à la séparation des fractions organiques et
minérales
desdites charges bitumineuses dans une unité de traitement fonctionnant à
l'eau chaude, est
fournie à partir d'une boucle de combustion chimique.
Description détaillée de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de traitement de charges bitumineuses dans
lequel
l'énergie nécessaire à la séparation des fractions organiques et minérales
desdites charges
bitumineuses dans une unité de traitement fonctionnant à l'eau chaude est
fournie à partir
d'une boucle de combustion chimique (CLC).
A titre d'exemple, une composition typique de sable bitumineux est la suivante
(selon XIA
and GREAVES, Trans IChemE, Part A, Chemical Engineering Research and Design,
2006,
84(A9): 856-864) :
Propriétés d'un sable bitumineux d'Athabasca
API ( ) 8
Densité à 25 C (g.cm-3) 1,0077
Composition massique élémentaire (%pds)
C 81-84
H 10-11
N 0,3-0,6
S 4,6-5,6
Viscosité à 15 C (mPa.s) 18 000 - 1 000 000
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Composition SARA (%pds)
Saturés 14,5
Aromatiques 34,8
Résines 38
Asphaltènes 12,7
Porosité (%) 34
Teneur en huile (% pds) 13,6-15,3
Teneur en eau (% pds) 1,75
La combustion par boucle chimique consiste à mettre en contact une charge
hydrocarbonée
avec un oxyde métallique à haute température. L'oxyde métallique cède alors
une partie de
l'oxygène qu'il renferme et qui participe à la combustion des hydrocarbures. A
l'issue de cette
combustion, les fumées contiennent majoritairement des oxydes de carbone, de
l'eau et
éventuellement de l'hydrogène. En effet, il n'est pas nécessaire de mettre en
contact l'air
avec l'hydrocarbure et les fumées sont donc majoritairement composées des gaz
de
combustion et éventuellement d'un gaz de dilution servant au transport et à la
fluidisation des
particules (par exemple de la vapeur d'eau). Il est donc ainsi possible de
produire des
fumées exemptes majoritairement d'azote et contenant des teneurs en C02
élevées
(supérieures à 90% en volume) permettant d'envisager le captage, puis le
stockage de C02.
L'oxyde métallique ayant participé à la combustion est ensuite transporté vers
une autre
enceinte réactionnelle où il est mis en contact avec de l'air pour être
réoxydé. Si les
particules revenant de la zone de combustion sont exemptes de combustible, les
gaz issus
de cette zone réactionnelle sont majoritairement exempts de C02 - qui n'est
alors présent
qu'à l'état de traces, par exemple à des concentrations inférieures à 1 à 2%
en volume - et
consistent essentiellement en de l'air appauvri en oxygène, suite à
l'oxydation des particules
métalliques.
Les charges utilisables pour la combustion en boucle chimique sont d'une
manière générale
les hydrocarbures (gaz naturel, charges pétrolières liquides, résidus
pétroliers, des charges
solides telles que le charbon ou le coke issu des procédés de cokéfaction, des
schistes
bitumineux et préférentiellement sables bitumineux ou bitumes issus du
traitement des
sables bitumineux). Dans le cas des charges bitumineuses, leur traitement dans
un procédé
en boucle chimique permet de les traiter directement et de s'affranchir de
tout traitement ou
de toute transformation intermédiaire(s).
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Selon le procédé de l'invention, de la chaleur (ou énergie) est récupérée en
différents points
de la boucle, par des échanges avec les solides ou les gaz circulant dans
l'unité afin d'être
utilisée pour la séparation des fractions organiques et minérales des charges
bitumineuses.
De manière avantageuse, une partie du bitume ainsi produit est utilisée comme
combustible
dans la boucle chimique, permettant de réduire les oxydes métalliques dans le
réacteur de
réduction et remplace le gaz naturel habituellement utilisé dans les unités de
traitement
classiques. La fraction de bitume "recyclée" et utilisée comme combustible
dans le réacteur
de réduction représente généralement de 0,1 à 10% poids du bitume produit, de
préférence
de 0,1 à 5% poids.
Selon un autre mode avantageux de mise en oeuvre du procédé de l'invention, la
charge
bitumineuse est introduite directement dans le réacteur de réduction de la
boucle chimique.
Selon un autre mode avantageux de mise en ceuvre du procédé de l'invention, la
charge
bitumineuse est traitée dans un réacteur en lit fluidisé pour produire un gaz
de synthèse,
ladite charge étant traitée simultanément ou non avec une fraction du bitume
extrait de l'unité
de traitement fonctionnant à l'eau chaude. Dans ce cas, l'énergie nécessaire
au
fonctionnement du lit fluidisé est apportée par la boucle chimique, ainsi que
celle nécessaire
au fonctionnement de l'unité de traitement fonctionnant à l'eau chaude.
La quantité de bitume extrait par rapport au sable est variable en fonction
des sites
d'extraction, une partie du bitume produit pourra être ajoutée au sable
bitumineux pour
ajuster le ratio bitume/sable dans le réacteur de gazéification.
Par ailleurs, l'électricité nécessaire au traitement des sables bitumineux
pourra être produite
par valorisation de la chaleur haute température des effluents gazeux et
solides du procédé,
par exemple par utilisation de turbines à gaz chauds ou à vapeur.
Quel que soit le combustible utilisé pour la réduction des oxydes métalliques
dans le
réacteur "fioul" (gaz naturel ou du charbon ou du coke du pétrole), le procédé
produit un gaz
de combustion concentré en C02 qui facilite sa récupération.
La combustion d'un hydrocarbure, ici préférentiellement du bitume, dans un
procédé de
combustion en boucle chimique est un type d'oxycombustion, c'est-à-dire que
l'effluent
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gazeux de combustion est majoritairement composé de dioxyde de carbone et
d'eau, qui
après condensation de cette dernière devient un flux riche en C02 apte à être
comprimé et
stocké dans le cadre d'un enchaînement captage et stockage de C02. L'eau qui a
été
condensée peut alors être envoyée au traitement de la charge bitumineuse,
économisant
ainsi la ressource en eau.
La mise en oeuvre d'un procédé de combustion en boucle chimique requiert des
quantités
d'oxydes métalliques importantes au contact du combustible. Ces oxydes
métalliques sont
généralement, soit contenus dans des particules de minerai, soit dans des
particules
résultant de traitements industriels (résidus de l'industrie sidérurgique ou
minière,
catalyseurs de l'industrie chimique ou du raffinage usagés). On peut également
utiliser des
matériaux synthétiques tels que par exemple des supports d'alumine ou de
silice-alumine sur
lesquels on aura déposé des métaux qui peuvent être oxydés (oxyde de nickel
par exemple).
Les oxydes métalliques utilisables pour réaliser la combustion en boucle
chimique sont
généralement des oxydes de Fe, Ti, Ni, Cu, Mg, Mn, Co, V, utilisés seuls ou en
mélange.
Ces métaux peuvent être sous la forme de minerais naturels (comme l'ilménite)
ou déposés
sur un support synthétique ou sur un catalyseur usagé. De préférence, ces
solides sont
conditionnés sous la forme de poudre, de diamètre de Sauter compris
préférentiellement
entre 30 et 500 microns, et de masse volumique de grain comprise entre 1400 et
8000
kg/m3, préférentiellement entre 1400 et 5000 kg/m3.
D'un oxyde métallique à l'autre, la quantité d'oxygène théoriquement
disponible varie
considérablement et peut atteindre des valeurs élevées voisines de 30%.
Cependant, selon
les matériaux, la capacité maximale d'oxygène réellement disponible n'excède
en général
pas plus de 20% de l'oxygène présent. La capacité de ces matériaux à céder de
l'oxygène
n'excède donc au global pas plus de quelques pourcents en poids des particules
et varie
considérablement d'un oxyde à un autre, généralement de 0,1 à 15%, et souvent
entre 0,3 à
3 % poids. La mise en oeuvre en lit fluidisé est de ce fait particulièrement
avantageuse pour
conduire la combustion. En effet, les particules d'oxydes finement divisées
circulent plus
facilement dans les enceintes réactionnelles de combustion et d'oxydation, et
entre ces
enceintes, si l'on confère aux particules les propriétés d'un fluide
(fluidisation).
La combustion par boucle chimique permet de produire de l'énergie, sous la
forme de vapeur
ou d'électricité par exemple. La chaleur de combustion de la charge est
similaire à celle
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rencontrée dans la combustion classique. Celle-ci correspond à la somme des
chaleurs de
réduction et d'oxydation dans la boucle chimique. La répartition entre les
chaleurs de
réduction et d'oxydation dépend fortement des oxydes métalliques utilisés pour
conduire la
combustion par boucle chimique. Dans certains cas, l'exothermicité est
répartie entre
l'oxydation et la réduction du métal. Dans d'autres cas, l'oxydation est
fortement
exothermique et la réduction est endothermique. Dans tous les cas, la somme
des chaleurs
d'oxydation et de réduction est égale à la chaleur de combustion du
combustible.
La chaleur (ou énergie) nécessaire à la séparation dans l'unité de traitement
fonctionnant à
l'eau chaude est extraite par des échangeurs situés à l'intérieur, en paroi ou
en appendice
des enceintes de combustion et/ou d'oxydation, sur les lignes de fumées, ou
sur les lignes
de transfert d'oxydes métalliques.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet le traitement, sans traitement
préliminaire, de
charges bitumineuses avec captage du C02, de récupérer l'eau formée lors de
l'oxydation du
combustible à une température adaptée au traitement des sables bitumineux et
ainsi
d'utiliser une quantité d'eau moindre.
Un autre avantage selon l'invention est de récupérer une quantité d'énergie
suffisante au
niveau de la boucle chimique pour assurer la séparation de la fraction
organique et de la
fraction minérale de charges bitumineuses.
Un autre avantage du procédé selon l'invention est de permettre la production
d'un gaz de
synthèse sous pression à partir de sables et/ou de schistes bitumineux.
Un avantage supplémentaire du procédé selon l'invention est de faciliter la
captation du C02.
L'invention a également pour objet l'installation qui permet de mettre en
oeuvre le procédé
décrit ci-dessus, celle-ci comprenant au moins :
une boucle chimique contenant une zone réactionnelle d'oxydation, alimentée
par
de l'air, dite "réacteur air", dans laquelle se déroule la réaction
d'oxydation
d'oxydes métalliques après leur réduction dans une zone réactionnelle, dite
réacteur "fioul", dans laquelle se déroule la combustion de la charge en
présence
d'un combustible et de l'oxygène présent dans lesdits oxydes métalliques;
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- un ou des échangeurs situés à l'intérieur, en paroi ou en appendice des
enceintes
contenant les zones de combustion et/ou d'oxydation de la boucle chimique, sur
les lignes de fumées ou sur les lignes de transfert des oxydes métalliques
pour
produire un flux de chaleur pour réchauffer un flux d'eau amené par une
conduite
(8) dans une zone d'échange;
- une zone de séparation de la composante minérale, extraite par une conduite,
et
de la composante organique (bitume) de la charge, extraite par une conduite
opérant en présence d'eau et de soude, à une température comprise entre 80 et
90 C, l'eau étant chauffée dans la zone.
L'installation comprend également des moyens entre les différentes zones
permettant de
contrôler la circulation, l'étanchéité ou la séparation particules-gaz ou
entre particules de
caractéristiques différentes telles que le sable et les oxydes métalliques.
Ces moyens peuvent être, par exemple, des vannes en L, des siphons, des
séparateurs.
Dans le cas où l'on souhaite gazéifier la charge, l'installation comprend en
outre une zone
réactionnelle de gazéification, dite "réacteur de gazéification" des charges
solides et/ou
liquides pour produire un gaz de synthèse.
Les zones réactionnelles sont contenues dans des réacteurs de type lit
fluidisé, bouillonnant
ou circulant, des lits fixes ou des agencements de plusieurs de ces éléments
opérant en
série ou en parallèle.
Selon une variante, la réaction de gazéification et la réaction de réduction
sont effectuées
dans le même réacteur, dans deux zones réactionnelles distinctes.
Avantageusement, les réactions dans les réacteurs "air", "fioul" et
gazéification ont lieu à une
température comprise entre 700 C et 1200 C, de manière préférée entre 750 et
950 C.
Le temps de séjour des oxydes métalliques dans le réacteur "fioul" dépend de
la nature du
combustible et peut être estimé de manière générale entre 30 secondes et 10
minutes,
préférentiellement compris entre 1 et 10 minutes.
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Le temps de séjour des oxydes métalliques dans le réacteur air dépend de
l'état d'oxydation
et/ou réduction de ces oxydes et peut être estimé de manière générale entre 10
secondes et
10 minutes, préférentiellement compris entre 20 secondes et 3 minutes.
Le temps de séjour des oxydes métalliques dans le réacteur de gazéification
dépend de la
nature du combustible à gazéifier et peut être estimé de manière générale
entre 1 et 20
minutes, préférentiellement compris entre 1,5 minutes et 10 minutes.
Un porteur d'oxygène est caractérisé par sa capacité de transport d'oxygène,
c'est-à-dire la
quantité d'oxygène que ce porteur d'oxygène pourra échanger de façon
réversible avec le
milieu réactionnel entre son état le plus oxydé et celui le moins oxydé. On
définit X comme la
fraction de la capacité totale de transfert d'oxygène restante dans l'oxyde et
AX comme une
fraction de la capacité de transfert d'oxygène totale.
L'invention est illustrée, de façon non limitative, à partir des figures 1 à
4.
Figures
- La figure 1 représente le principe général de l'invention;
- La figure 2 diffère de la figure 1 en ce qu'une zone de condensation est
présente en sortie
du réacteur de réduction;
- La figure 3 correspond à un schéma incluant un réacteur en lit fluidisé;
- La figure 4 à un schéma où l'on produit de la chaleur à partir de
combustible constitué de
sable bitumineux ou de schistes bitumineux bruts introduits directement dans
le réacteur de
réduction.
Sur la figure 1, un flux d'oxydes métalliques circule, par une conduite (4),
du réacteur
d'oxydation (ou réacteur "air") (R1) alimenté en air par une conduite (1) vers
le réacteur de
réduction (ou réacteur "fioul") (R2) dans lequel se déroule la combustion de
la charge par
réduction des matériaux transporteurs d'oxygène MeO sur une durée allant
généralement de
1 à 15 minutes. Les oxydes métalliques en sortie du réacteur de réduction (R2)
sont en
partie sous forme métallique (MeO,_X) avec 0 _< X <_ 0,5, après réaction entre
l'oxygène
existant dans leur structure et le combustible arrivant dans le réacteur de
réduction (R2) par
une ligne (6). Les effluents gazeux produits par l'oxydation du combustible
arrivant dans le
réacteur de réduction (R2) sont constitués de manière quasi exclusive d'eau et
de dioxyde
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de carbone. Ils sont évacués par une conduite (5) sur laquelle de la chaleur
peut être fournie
par l'intermédiaire d'une zone d'échange de chaleur (non représentée).
Les oxydes métalliques sous forme réduite circulent par une ligne (7) du
réacteur "fioul" (R2)
vers le réacteur d'oxydation (R1) pour être réoxydés sous la forme la plus
oxydée MeO, avec
0,8 _< X:9 1, et préférentiellement 0,95:5 X_< 1. La boucle chimique peut
comporter une zone
de récupération de chaleur sur le solide en circulation (non représentée).
L'oxydation du
solide est réalisée grâce à l'air amené par une conduite (1) et produit un
effluent d'air
appauvri évacué du réacteur d'oxydation (R1) par une conduite (2). La chaleur
produite par
l'oxydation est récupérée par l'intermédiaire de la zone d'échange (non
représentée). La
totalité de la chaleur récupérée dans les zones d'échange est symbolisée par
le flux (10) et
est ensuite utilisée pour le réchauffage d'un flux d'eau (8) pour produire de
l'eau chaude
dans une zone d'échange (El). L'eau chaude produite est envoyée par une
conduite (11)
vers l'unité de traitement des sables bitumineux (R3) alimentée en sable
bitumineux par une
conduite (13). En sortie de la zone de séparation (ou unité de traitement)
(R3), l'un des
produits est du bitume et celui-ci est extrait par une conduite (12). Une
partie de ce bitume
est envoyée vers (R2) par une conduite (6) en tant que combustible. Le reste
du bitume est
extrait de l'unité pour être valorisé.
De la zone (R3), il est également extrait une fraction minérale
(essentiellement sable et eau)
par une conduite (13').
Le procédé de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 par le fait qu'un
condenseur (E3) est
présent sur l'effluent gazeux (5) issu du réacteur de réduction (R2).
L'effluent gazeux (5)
riche en C02 est refroidi de manière à ce que l'effluent gazeux (15) soit le
plus riche possible
en C02 pour pouvoir être comprimé pour son éventuel transport et/ou stockage.
L'eau
chaude récupérée dans le condenseur (E3) est récupérée et véhiculée par une
conduite (14)
vers la zone d'échange (El) pour être mélangée au flux d'eau amené par la
conduite (8).
Cette configuration permet à la fois de répondre à une nécessité technique du
captage du
C02 en vue de sa séquestration et de récupérer de l'eau à une température
adaptée au
traitement du sable bitumineux et ainsi d'utiliser une quantité d'eau moindre.
La figure 3 présente un schéma de procédé permettant la production de gaz de
synthèse
sous pression, directement à partir d'une charge bitumineuse brute, i.e. dont
la composante
minérale (sable par exemple) n'a pas été séparée de sa composante organique
(bitume), ou
bien encore à partir de bitume issu de la zone (R3) ou d'un mélange bitume-
sable bitumineux
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dans le cas où l'on souhaite ajuster le ratio composante minérale/bitume.
Cette configuration
permet également la gazéification des schistes bitumineux.
La description de la figure reprend celle de la figure 2 sauf pour le flux (6)
qui correspond à
l'alimentation en combustible du réacteur de réduction (R2). Dans le cas de la
figure 3, le
combustible est soit du gaz naturel, soit un hydrocarbure solide ou liquide,
soit du charbon et
est introduit par la conduite (18), soit du bitume issu de la zone (R3).
Le flux gazeux riche en C02 et appauvri en eau (15) issu du condenseur (E3)
est pour tout
ou partie envoyé vers un compresseur (Cl) par une conduite (16), le flux
restant (25) étant
éventuellement extrait de l'unité pour être conditionné pour le transport et
le stockage. Au
refoulement du compresseur, le flux riche en C02 sous pression est dirigé par
une conduite
(17) vers un réacteur en lit fluidisé (R4), ce qui permet la fluidisation du
lit du réacteur (R4).
Le réacteur (R4) est alimenté en continu en combustible pour tout ou partie
par un apport de
sable bitumineux par la conduite (18), éventuellement complété par un apport
en bitume issu
de la zone (R3) par une conduite (19). Les éléments permettant d'introduire le
combustible
sous pression ne sont pas représentés. Le bitume, qu'il soit introduit
directement ou non
sous la forme de sable bitumineux, est gazéifié en un mélange composé
majoritairement de
monoxyde de carbone et de dihydrogène (ou gaz de synthèse) est extrait du
réacteur (R4)
par une conduite (23). L'apport de chaleur dans le réacteur (R4) est réalisé
par les réactifs et
peut éventuellement être complété par une fraction (20) du flux de chaleur
(10) de façon à se
placer dans des conditions favorables à la gazéification de la charge. La
composante
minérale du sable bitumineux, i. e. le sable, ne réagit pas et celle-ci est
extraite en continu du
réacteur de gazéification (R4) pour produire un flux de sable chaud (21). La
chaleur de ce
sable chaud peut éventuellement être valorisée dans une zone d'échange - non
représentée
- pour compléter la chaleur apportée par exemple par les flux (10) et (20).
La figure 4 représente un procédé selon l'invention où l'on produit de la
chaleur à partir de
combustible constitué de sable bitumineux ou de schistes bitumineux bruts
introduits
directement dans le réacteur de réduction (R2).
Le combustible constitué de sables bitumineux ou de schistes bitumineux est
introduit par la
conduite (6) dans le réacteur de réduction (ou réacteur "fioul") (R2) dans
lequel se déroule la
combustion de la charge par réduction du matériau (ou solide) transporteur
d'oxygène MeO.
Celui-ci est extrait de (R2) sous forme réduite (MeO,_X) par une conduite (7)
et envoyé dans
un séparateur solide-solide (Si) dans lequel le sable (ou le schiste) est
séparé du solide
transporteur d'oxygène pour être véhiculé par une conduite (3) vers la zone
d'échange de
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chaleur (El). Le solide transporteur d'oxygène est quant à lui extrait du
séparateur (Si) par
une conduite (7') et envoyé dans le réacteur d'oxydation (RI) pour être
réoxydé sous sa
forme la plus oxydée MeO. Au niveau de la zone de chaleur (E1), le sable chaud
est le
'fluide" caloporteur permettant de réchauffer l'eau amenée par la conduite (8)
et le sable
refroidi est extrait par la conduite (21).
Les autres conduites et équipements correspondent à ceux décrits précédemment.
EXEMPLE
L'exemple ci-dessous (correspondant aux schémas des figures 1 et 2) met en
oeuvre le
principe du fonctionnement d'une unité de traitement de sable bitumineux
associée à une
boucle chimique de combustion du bitume, le transporteur d'oxygène étant
l'oxyde de nickel.
La charge traitée est une charge bitumineuse de type Athabasca.
L'objectif est de produire 100 000 barils par jour d'Athabasca. Pour ce faire,
on considère
que l'on a besoin de 2 barils d'eau par baril d'Athabasca produit.
- dans le réacteur "fioul" opérant à une température de 900 C s'effectue la
réduction
des matériaux transporteurs d'oxygène par contact entre les matériaux et le
bitume.
- dans le réacteur "air" opérant à une température d'environ 950 C, les
matériaux
réduits sont oxydés par l'air.
- dans l'unité de traitement des sables bitumineux, le sable est séparé du
bitume
par flottation par mise en oeuvre d'eau à 85 C.
On fait l'hypothèse que l'on souhaite produire 100 000 BPSD de bitume
Athabasca et que
pour chaque baril produit, on consomme deux barils d'eau. La quantité d'eau
nécessaire est
donc de 200 000 BPSD.
= Définition du besoin en eau chaude
On souhaite produire 200 000 BPSD d'eau à réchauffer de 10 à 85 C, ce qui
nécessite une
puissance disponible de 116 MW.
Le porteur d'oxygène choisi est l'oxyde de nickel, avantageusement composé à
60% de NiO
et 40% de NiA12O3 dans sa forme oxydée.
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La capacité de transport d'oxygène du solide considéré est de 12,8 % en masse.
Lors de
l'opération du système, seuls 15 % de cette capacité sont exploités. On en
déduit donc une
capacité de transport d'oxygène équivalente à 2 % de la masse de solide. Cela
se traduit par
une circulation de solide porteur d'oxygène de 1,1 t/s. Ce débit de
circulation de solide est
atteignable techniquement pour un dispositif en lit fluidisé circulant.
On considère le solide sortant du réacteur "air" (conduite (4) sur la figure
1), dans son état
d'oxydation maximal. Il est introduit dans le réacteur (R1) dit réacteur
"fioul".
Réaction dans le réacteur fuel :
La charge est oxydée lors d'une réaction endothermique par le porteur
d'oxygène. Pour lt/h
de bitume, la puissance consommée dans le réacteur "fioul" est de 1081 kW.
Cette énergie résulte d'une minimisation d'énergie de formation d'une charge
modèle de
composition CHONS suivante :
C 82,7%
H 10%
N 0,6%
S 5,7 %
O 1%
Le solide est ensuite réacheminé dans son état d'oxydation minimal (par la
conduite (7) sur
la figure 1), du réacteur "fioul" vers le réacteur "air" dans lequel il réagit
pour être réoxydé
dans son état oxydé maximal.
Réaction dans le réacteur "air"
Le porteur d'oxygène partiellement réduit NiO1_X est réoxydé en NiO au cours
d'une réaction
exothermique produisant 10 800 kWth.
Si l'on prend en compte le fait qu'il faille réchauffer les réactifs et qu'une
partie alors
l'excèdent du système n'est plus que de 9,8 MWth, pour 1t/h de charge.
Ainsi pour produire 116 MWth, il faut consommer 12 t/h de bitume, soit une
auto-
consommation de 1,8% environ de l'Athabasca produit.
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Gestion de l'eau
Par ailleurs la combustion d'une tonne de charge hydrocarbure de ratio molaire
H/C de 1,53
génère une tonne d'eau (par condensation dans (E3) sur la figure 2), soit près
de la moitié de
l'eau nécessaire au traitement du sable bitumineux correspondant si on la
recycle via la
conduite (14) de la figure 2. On économise ainsi 12 t/h d'eau qui ne sont pas
prélevées sur
l'environnement de l'unité, ce qui représente 96 000 m3 sur une année.
Captage du C02
Le recours d'une unité selon l'invention permet le captage des 251 000 t/an de
C02 émises
par la combustion de la charge bitumineuse. Par ailleurs, on évite l'émission
198 000 t/an de
C02 qui seraient émises dans le cas où l'on aurait recours au gaz naturel sans
captage de
C02 pour fournir la chaleur au système.
