Prétraitement du gaz avant liquéfaction : élimination du CO₂, du H₂S, de l'humidité et des hydrocarbures lourds

Introduction

La croissance du GNL de petite capacité en France et dans les pays voisins est directement liée au développement de l'énergie décentralisée, à la gazéification des territoires éloignés et au passage à des sources de combustible plus flexibles. Dans ces projets, l'élément clé n'est pas le bloc de liquéfaction lui-même, mais ce qui se passe avant celui-ci — la préparation du gaz.

L'unité de préparation du gaz avant liquéfaction (UPG) est un système qui transforme le gaz naturel ou associé « brut » en un produit cryogéniquement sûr. Sans elle, toute usine GNL devient une expérience technologique instable. La raison est simple : les températures cryogéniques de −162 °C ne pardonnent pas les erreurs.

Si le gaz contient encore du CO₂, du H₂S, de l'eau ou des hydrocarbures lourds, ceux-ci gèlent, forment des hydrates, bloquent les échangeurs de chaleur, détruisent la robinetterie et mettent hors service le bloc cryogénique. En conséquence, l'installation peut fonctionner quelques semaines, mais pas des années.

Par ailleurs, l'épuration du gaz du CO₂ et du H₂S n'est pas une seule technologie, mais tout un ensemble de solutions : adsorption, procédés aux amines, séparation membranaire et purification cryogénique finale. Et chacune ne convient qu'à une composition de gaz, une pression et un volume déterminés.

La Chine propose aujourd'hui une large gamme d'équipements d'UPG — des colonnes d'adsorption aux unités membranaires modulaires. Mais la qualité varie considérablement : des usines de niveau SASPG et Hangzhou Oxygen aux sociétés commerciales sans réelles capacités de production.

Dans cet article, nous examinerons quelles technologies fonctionnent réellement, quelles tolérances sont obligatoires pour le GNL, comment rédiger un cahier des charges et quelles erreurs conduisent le plus souvent à la défaillance du bloc cryogénique.

Pourquoi la préparation du gaz est nécessaire : ce qui se passe sans UPG

Si l'on supprime le bloc de préparation du gaz, le module cryogénique devient un système à défaillance rapide. La cause en est la physique des transitions de phase et le comportement des impuretés à basse température.

Impuretés critiques et leur comportement

CO₂ — l'ennemi principal de la cryogénie

1. gèle à −78 °C
2. forme des cristaux solides
3. colmate les échangeurs à plaques et ailettes
4. provoque une chute de productivité

H₂S

1. toxique
2. provoque la corrosion
3. détruit les éléments en aluminium
4. rend le produit non conforme

Eau

1. forme des hydrates
2. se transforme en glace
3. bloque les canalisations
4. réduit de manière critique la fiabilité du système

La norme GOST 5542 impose des exigences sur la qualité du gaz naturel, notamment la teneur en sulfure d'hydrogène et d'autres composants ; dans la pratique industrielle, ces normes servent de point de référence de base pour la préparation du gaz avant traitement.

Hydrocarbures lourds (C5+)

1. se condensent à des températures élevées
2. gèlent dans la zone cryogénique
3. créent des dépôts dans le cold box
4. réduisent le rendement de liquéfaction

Résultat sans UPG

Sans préparation du gaz, le bloc cryogénique fonctionne non pas des années, mais des semaines.

Schémas technologiques d'épuration du gaz (bloc principal)

L'unité de préparation du gaz avant liquéfaction peut être construite sur quatre technologies de base. Dans les projets GNL réels, elles sont souvent combinées.

1. Épuration par adsorption (tamis moléculaires)

C'est le schéma le plus répandu pour les usines GNL de petite capacité.

Paramètres de la technologie

Avantages

1. grande profondeur d'épuration
2. stabilité des paramètres
3. adapté au GNL
4. technologie éprouvée

Inconvénients

1. consommation d'énergie pour la régénération
2. nécessité de remplacer l'adsorbant
3. automatisation complexe

Fournisseurs chinois

1. Sichuan Air Separation
2. Hangzhou Oxygen
3. intégrateurs Jereh / CIMC Enric

2. Épuration aux amines (par absorption)

Utilisée dans les grandes unités de traitement du gaz.

Paramètres

Avantages

1. procédé continu
2. haute productivité
3. adapté aux grands débits

Inconvénients

1. régénération complexe des amines
2. corrosion des équipements
3. nécessite un séchage complémentaire du gaz

Où elle est appliquée

1. grandes usines de traitement du gaz
2. débits à partir de 50 000 m³/h et plus

3. Épuration membranaire du gaz

Utilisée comme étape préliminaire.

Paramètres

Avantages

1. compacité
2. sans réactifs
3. faible consommation d'énergie

Inconvénients

1. n'atteint pas la pureté cryogénique
2. nécessite une cascade
3. instabilité des membranes

4. Séparation cryogénique

Appliquée dans les schémas GNL complexes.

Paramètres

Avantages

1. combinaison de l'épuration et du refroidissement
2. augmentation du rendement GNL
3. élimination des fractions lourdes

Inconvénients

1. forte intensité énergétique
2. nécessite un séchage préalable
3. gestion complexe

Ce que doit contenir le cahier des charges d'une UPG

Les équipements de préparation du gaz ne peuvent pas être achetés sans un cahier des charges strict.

Données d'entrée

1. composition du gaz (CH₄, CO₂, H₂S, N₂, C2+) ;
2. pression et température ;
3. débit (min/nom/max) ;
4. variations saisonnières ;
5. présence de mercure ;
6. teneur en humidité.

Exigences relatives au gaz épuré

Exemple de formulation

L'unité de préparation du gaz doit garantir une teneur en CO₂ ne dépassant pas 50 ppm, en H₂S ne dépassant pas 4 ppm, un point de rosée à l'eau ne dépassant pas −60 °C à 0,1 MPa, une teneur en C5+ ne dépassant pas 10 ppm.

Équipements

1. matériau des récipients (09G2S, 12X18H10T) ;
2. type d'adsorbant (UOP, Grace ou équivalent) ;
3. type de membranes ;
4. vannes et régulateurs (marque) ;
5. automatisation (Modbus, OPC UA) ;
6. redondance des colonnes ;
7. système de régénération.

Équipements chinois pour UPG : où cela fonctionne et où est le risque

Fonctionnent bien

1. colonnes d'adsorption (SASPG, Hangzhou Oxygen) ;
2. séparateurs et filtres ;
3. échangeurs de chaleur (sous réserve de vérification des matériaux) ;
4. UPG modulaires d'intégrateurs EPC (Jereh, CIMC Enric).

Points faibles

1. membranes (niveau de qualité variable) ;
2. robinetterie (régulateurs, vannes) ;
3. automatisation (incompatibilité SCADA) ;
4. solutions « universelles » sans calcul du gaz.

Risque principal

Le fournisseur ne demande pas la composition du gaz → cela signifie qu'un système moyen est conçu → qui ne fonctionne pas dans des conditions réelles.

Erreurs lors de l'achat d'une UPG

Vérification d'un fournisseur chinois d'UPG (HowTo)

Étape 1 — documents

1. licences
2. ISO 9001
3. références

Étape 2 — production

1. colonnes d'adsorption
2. soudage des récipients
3. contrôle non destructif

Étape 3 — essais

1. étanchéité
2. pression
3. régénération

Étape 4 — intégration

1. liaison avec le bloc cryogénique
2. SCADA / PLC
3. protocoles