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 C0 ₂ 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 C0 ₂ 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 C0 ₂ et de vapeur d'eau qui, refroidies en dessous de 100°C et débarrassées de l'eau condensée, consisteraient en du C0 ₂ 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 C0 ₂ tout en maximisant l'énergie 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, H ₂ 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 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 (C0 ₂ ) 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 m ³ 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 300.10 ⁶ m ³ 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 œuvre 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 non raffinée tout en permettant de limiter l'impact environnemental par un captage facilité des gaz à effet de serre et plus particulièrement du C0 ₂ 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 O 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 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 C0 ₂ élevées (supérieures à 90% en volume) permettant d'envisager le captage, puis le stockage de C0 ₂ . 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 C0 ₂ - 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). 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 œuvre 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 œuvre 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 C0 ₂ 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 gazeux de combustion est majoritairement composé de dioxyde de carbone et d'eau, qui après condensation de cette dernière devient un flux riche en C0 ₂ apte à être comprimé et stocké dans le cadre d'un enchaînement captage et stockage de C0 ₂ . 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 œuvre 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 œuvre 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 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 C0 ₂ , 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 C0 ₂ .

L'invention a également pour objet l'installation qui permet de mettre en œuvre 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; - 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. 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 ΔΧ 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 (MeOi _-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 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 < 1 , et préférentiellement 0,95 < 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 (E1 ). 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 C0 ₂ est refroidi de manière à ce que l'effluent gazeux (15) soit le plus riche possible en C0 ₂ 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 (E1 ) 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 C0 ₂ 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 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 C0 ₂ et appauvri en eau (15) issu du condenseur (E3) est pour tout ou partie envoyé vers un compresseur (C1 ) 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 C0 ₂ 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 (Me0 _1-x ) par une conduite (7) et envoyé dans un séparateur solide-solide (S1 ) 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 chaleur (E1 ). Le solide transporteur d'oxygène est quant à lui extrait du séparateur (S1 ) par une conduite (7') et envoyé dans le réacteur d'oxydation (R1 ) 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 œuvre 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 œuvre 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 1 16 MW.

Le porteur d'oxygène choisi est l'oxyde de nickel, avantageusement composé à 60% de NiO et 40% de NiAI203 dans sa forme oxydée. 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 1t/h de bitume, la puissance consommée dans le réacteur "fioul" est de 1081 k .

Cette énergie résulte d'une minimisation d'énergie de formation d'une charge modèle de composition CHONS suivante :

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 NiOi. _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 1 t/h de charge.

Ainsi pour produire 116 MWth, il faut consommer 12 t/h de bitume, soit une autoconsommation de 1 ,8% environ de l'Athabasca produit. 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 m ³ sur une année.

Captage du CO?

Le recours d'une unité selon l'invention permet le captage des 251 000 t/an de C0 ₂ émises par la combustion de la charge bitumineuse. Par ailleurs, on évite l'émission 198 000 t/an de C0 ₂ qui seraient émises dans le cas où l'on aurait recours au gaz naturel sans captage de C0 ₂ pour fournir la chaleur au système.