Brevet FR2412692A1 — publié le 19790720

La présente invention se rapporte à un système de production d'énergie amélioré dans lequel on utilise une installation de production~d'énergie fonctionnant selon le cycle de Brayton. Suivant lutin de ses aspects les plus spécifiques, le procédé conforme a l'înventionestantéressantpirla production d'énergie à partir de chaleur en provenance d'une source chaude à température modérément élevée et en meme temps du gaz naturel liquéfié et gazéifié est envoyé dans un oléoduc.Suivant un mode de réalisation particulier 11 invention se rapporte à une installation productrice de puissance ,onctionnant selon le cycle de Brayton dans laquelle la chaleur perdue produite par réaction de l'oxygène avec un combustible carboné et/ou hydrocarboné sert à produire de l'énergie et à gazéifier du gaz naturel liquéfié. Avec l'apparition à grande échelle dE installations de liquéfactior. de g2z naturel et du transport de gaz naturel liquéfié dans des wagons citerne, de grandes quantités de réfrigérant à basse température sont disponibles aux endroits où le gaz naturel liquifié est transforme en gaz naturel gazeux avant d'etre envoyé dans des systèmes d'oléoducs. On a proposé de nombreuses méthodes pour utiliser e réfrigératicn disporible après la gazéification du gaz,naturel liquéfié.De nombreuses propositions comportent la réfrigération à l'air à des températures inférieures à zéro pour refroidir rapidement des produits alimentaires, pour refroidir de l'air comprimé pour la liquéfaction et la rectification permettant de récupérer de- l'oxygène et de l'azote et pour refroidir des gaz craqués afin de récupérer de l'éthylène. Des fluides gazeux ou liquides à haute température servent de source de chaleur dans de nombreux procédés industriels. par exemple, un réacteur nucléaire constitue une bonne source de chaleur à des températures modérément élevées. De façon analogue, la gazéification,du charbon ou de l'huile par oxydation partielle avec de l'air ou de lssoxygène produit des gaz chauds à des températures modérément élevées de par exemple 815 C à 13700C. Habituellement la température de tels gaz doit être abaissée avant traitement ultérieur. Dans de nombreux exemples, les gaz chauds issus d'un gazéifieur sont envoyés dans une.chaudière à chaleur perdue pour produire de la vapeur.La vapeur, à son tour, peut être envoyée vers une turbine à vapeur pour produire de l'énergie Dans d'autres exemples les gaz chauds sont refroidis directement avec de l'eau en formant de la vapeur d'eau. Lorsque le gazéifieur fonctionne à haute pression les gaz t la vapeur peuvent être envoyés dans une turbine pour produire de liérergie. La présente invention fournit un procédé efficace d'utilisation des gaz à des températures modérément élevées pour produire de lténergie et la gazéification du gaz naturel liquéfié. Dans la production d'énergie, telle que de I'énergie pour entraîner un compresseur à gaz ou pour fournir de l'électricité, dans laquelle est disponible une source de chaleur telle que des gaz à température relativement élevée, on peut utiliser une installatio d'énergie fonctionnent selon le cycle de Prayton. Dans une installation d'énergie fonctionnant selon le cycle de Brayton un fluide de travail gazeux par exemple de l'hlium, de l'argon, de l'azote eu d l'air ou un autre gaz identique est comprimé, chauffé à une température relativement élevée, par exemple par échange de chaleur directe avec un fluide tel que des gaz chauds issus d'une source de chaleur convenable à température élevée et le fluide de travail gazeux et chaud en rzsultant, à température élevée est envoyé dans une turbine pour produire de l'énergie. Le fluide de travail gazeux sortant de la turbine passe dans un réfrigérant ou dans un échangeur de chaleur puis est recomprimé puis réchauffé pour être rrnycle- dans la turbine.Habituellement , pour réchauffer les récupérateurs de fluide de travail gazeux comprimés, on utilise des regénérateurs ou des échangeurs de chaleur dans lesquels le fluide de travail gazeux comprimé est dirigé en relation d'échange de chaleur indi- rec.e avec le gaz chaud de la sortie d'une turbine puis est chauffé à nouveau à une température élevée avant de passer vers la turbine pour la production d'énergie. La présente invention a pour but de fournir un procédé t un appareil amélioré de production d'énergie dans lequel on utilise uns ccmbinaison de chaleur ou de gaz chaud à une température modérément élevée et la réfrigération ou le pouvoir réfrigéavant du gaz naturel liquéfié. Suivant un mode de réalisation préferé de l'invention la chaleur provenant de l'oxydation partielle du combustible carboré et/ou hydrocarboné par exemple le produit de la réaction des gaz chauds, est utilisé comme source de chaleur pour produire de l'énergie et la gazéificaion du gaz naturel liquéfié dans un d1e d'énergie de rayton avec un accroissement notable de ltefficacité du cycle d'énergie. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui.suit donnée à titre illustratif et représentant schématiquement ce procédé. En se référant aux dessins on observe une installation productrice d'énergie qui est représentée schématiquement et qui fonctionne en circuit fermé selon le cycle de Drayton. Ur. fluide de travail gazeux convenable, de préférence de l'hélium est envoyé dansiez conduit 9 vers le compresseur 10, puis est comprimé et . passe dans le conduit 11 vers l'échangeur de chaleur ou régénérateur 12 où le fluide de travail gazeux comprimé est chauffézpar échange de chaleur indirecte avec des gaz sortant du détendeur ou de la turbine productrice d'énergie 19, comme cela est décrit ci-après. Les gaz chauffés en provenance de l'échangeur de chaleur 12 passent dans le conduit 14 vers l'échangeur 15 à haute température dans lequel ils sont chauffés à nouveau par échange de chaleur indirecte avec un fluide d'une source de chaleur à température relativement élevée, tel que du sodium fondu, du carbonate de sodium fondu etc. ou des gaz chauds fournis à l'échangeur de chaleur 15 à partir source source de chaleur convenable non représentée, par le conduit 16. Le fluide de travail gazeux et chaud ainsi obtenu à partir de l'échangeur de chaleur à haute température 15 est envoyé par le conduit 15 vers une turbine d'énergie 19 où il est détendu avec récupération d'énergie. De l'énergie électrique est produite par le générateur 20 entraîné par la turbine 19. Le fluide de travail gazeux sortant de la turbine 19 est envoyé vers l'échangeur de chaleur ou le regénérateur 1 2 par le conduit 21. Une partie de la chaleur contenue dans le gaz de sortie est abandonnée dans le régénérateur 12 pour préchauffer le fluide de travail gazeux comprimé dans le conduit 14. Le gaz de sortie de la turbine en provenance du régénérateur 12 passe dans le conduit 22 pour aller dans l'évaporateur 23. du gaz naturel liquéfié. La turbine de production d'énergie 19 est reliée au compresseur 10 qu'elle fait fonctionner.et à'un générateur électrique 20 pour produire de l'énergie électrique. Le gaz naturel liquifié d'une source convenable telle qu'une citerne de transport ou un réservoir de gaz naturel liquéfié, ou d'une installation de stockage est fourni au système par l'intermédiaire du conduit 25 à la pression atmosphérique et comprimé par une pompe 26 à la pression suuhaitée en vue de la distribution du gaz naturel dans un système d'oléoduc. Le gaz naturel liquéfié comprimé est dirigé dans le conduit 27 vers un évaporateur ou gazéifieur 23 où il est complètement gazéifié en fournissant du gaz naturel sous forme gazeuse destiné à être distribué dans les oléoducs à la pression requise par exemple à 70 bars.Le fluide de travail gazeux recyclé, refroidi ainsi produit est envoyé dans le conduit 9 vers le compresseur 10 à une température inférieure à la température de l'atmosphère de selle sorte qu'il n'est pas nécessaire de refroidir le gaz pendant sa compression ce qui est un avantage important du procédé et le gaz naturel gazéifié ainsi-produit est envoyé vers un oléoduc par le conduit 28. Le procédé de cette invention est particulièrement intéressant pour utiliser la chaleur contenue dans l'affluent gazeux chaud d'un réacteur à oxydation partielle dans lequel des mélanges comprenant de l'oxyde de carbone et de lthydrogène sont obtenus par oxydation partielle directe de combustibles carbonés ou hydrocarbonés, telles que des huiles combustibles lourdes, des résidus du pétrole, du coke, du carbone, du charbon et d'autres substances analogues, en faisant réagir le combustible avec un gaz contenant de l'oxygène, tel que de l'air, de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène pratiquement pur (de l'oxygène pur à 95 %). Le procédé de production de gaz de synthèse de Texaco est bien connu pour effectuer l'oxydation partielle directe de presque tous les combustibles. Dans ce traitement on obtient un -effluent gazeux chaud à une température comprise entre 815 et 137DOC et il doit être refroidi à une température relativement faible en vu du traitement ultérieur. Quand le gaz de synthèse chaud, le gaz combustible, ou le gaz réducteur obtenu par le procédé est refroidi par échange de chaleur indirecte avec de l'eau pour produire de la vapeur, l'énergie récupérée est relativement faible.Si la chaleur disponible dans les gaz de chauffe du procédé de production de gaz de synthèse était utilisée directement pour gazéifier du gaz naturel liquéfié, il se produirait une perte notable d'enthalpie avec une utilisation relativement faible de la chaleur contenue dans les gaz. Une installation de production d'énergie à cycle fermé fonctionnant selon le cycle de Brayton, comme cela était indiqué ci-dessus, et fonctionnant grâce à cette invention permet l'utilisation efficace de la chaleur à température relativement élevée en provenance du procédé de gaz de synthèse ou d'autres sources de chaleur à haute température pour produire de l'énergie telle que de l'énergie électrique pour différentes utilisations. Suivant un mode de réalisation préféré de la pur sente invention et en tant qu'exemple spécifique de ce procédé, on extrait du stockage du gaz naturel liquéfié à -1610C la pression atmosphérique, sa pression est augmentée jusqu'à environ 70 bars et il est envoyé dans un gazéifieur à gaz naturel liquéfié dans un système, tel que celui qui est illustre dans les dessins annexés, où il est soumis à une gazéification par échange de chaleur indirecte avec un fluide de travail constitué hélium gazeux à 26,7 C et à 22,6 bars quittant le récupérateur, Le gaz naturel liquéfié est gazéifie par échange de chaleur indirecte avec le fluide de Crava, par exemple de l'hélium, chaufé à une température de 15,60C et envoyé en eant que gaz naturel gazeux vers un oléoduc à environ 70 bars, Le fluide de travail, ensuite l'hélium est refroidi par le gaz naturel liquéfié dans le gazéifieur à -110,60C, il entre dans le compresseur à une pression de 22,2 bars et il s'en échappe à 71,4 bars et à 4,4 C. L'hélium à haute pression issu du compresseur à 4,40C est chauffé dans un récupérateur à 3730C par échange de chaleur indirecte avec des gaz en provenance de la turbine de puissance à cycle de Brayton et est ensuite chauffé à 7040C par échange de chaleur indirecte avec des gaz cnauds en-provenance d'une source chaude, d'un générateur de gaz de synthèse, à une température d'environ 980 C. L'hélium à -haute pression chauffé obtenu entre dans la turbine de pu usance à cycle de Brayton à une,p-ression d'environ 70 bars et à une température de 7040C ou il se détend à une pression de 23 bars en produisant de l'énergie qui est utilise pour faire fonctionner le compresseur du système de production d'énergie à cycle de Brayton et pour entraîner le générateur en vu de produire de l'énergie électrique.Le fluide de travail constitué d'hélium sortant de la turbine à 23 bars et à 3960C passe dans un échangeur de chaleur indirect avec de l'hélium à haute pression en provenance du compresseur-, comme indiqué cidessus, en effectuant le refroidissement du fluide de travail constitué d'hélium à une température de 26,70. L'hélium à 26,70C est alors refroidi à -110,6aC dans le gazéifieur à gaz naturel liquéfié avant de retourner dans le compresseur pour compléter le cycle décrit. Le système décrit ci-dessus pouvant fournir 2,8 x 107 m3 par jour de gaz naturel a une capacité de production d'énergie de 241 MW. Le même système à cycle de Brayton utilise de l'eau de refroidissement en quantité suffisante pour refroidir l'hélium o l'entrée de chacun des trois stades de compression de 26,7fiC produisent 160 MW.Dans le système refroidi à l'eau de comparaison, le premier compresseur reçoit l'hélium G 22,4 bars et à 270C et lève se pression à 331 bars alors que sa température s'accot pour atteindre 852C. Le refroidisseur intermédiaire abaisse la température de l'hélium à 27 C avant la seconde étape de compression et élève la pression de l'hélium de 33 bars à B,5 bars.Le compresseur de ia seconde étape fournit de l'hélium à un second refroidisseur intermédiaire à 850C où il est refroidi à nouveau à 26,70C avant sor introduction à 48,4 o ars dans le compresseur de troisième étape qui accroît sa pression à 71,4 bars à une température de sortie de 850C. Le système à cycle de Brayton de cette invention fournit approximativement 50 70 de plus d'énergie que le système de comparaison à refroidissement à eau. Le rendement général du système de production énergie de comparaison est de 37 % alors que le système conforme à l'invention est de 55 %. Pour la camparaison dans les deux cas on a supposé que les rendements isentropiques des compresseurs étaient de 65 % et des turbines de 89 % et le rendement mécanique net de 90 % et le rendement de production d'énergie de 97 %, Le système de production d'énergie conforme à l'invention rPest pas limité au système décrit et illustré ci-dessus. Par exemple il est possible d'obtenir de meilleurs rendements de production d'énergie en utilisant un taux de pression plus élevé pour le fluide de travail constitué d'hélium par exemple un taux plus élevé de la pression d'entrée à la pression de sortie de la turbine de production d'énergie.Un taux de pression plus élevé se traduit par un plus grand échange de chaleur entre la pression élevée du gaz naturel liquéfié et celle des fluides de travail constituée hélium gazeux à faible pression. On obtient une puissance complémentaire en réduisant la pression du fluide de travail gazeux à haute pression dans des étapes dans plusieurs turbines de production d'énergie (non représentées) qui réchauffent le fluide de travail par échange de chaleur avec un fluide chaud de source chaude ente les étapes. il n'est pas essentiel qU'un système conforme à l'invention soit conçu de façon à produire 2,8 x 107 m3 par jour de gaz naturel liquifié gazéifié, il n'est pas né-cessaire non plus ni essentiel que le système fonctionne à un niveau de charge constante. Le cycle de Brayton fermé décrit ci-dessus en liaison avec les mises en.oeuvre de cette invention sont bien adaptés à des charges variées affectant au minimum l'efficacité du cycle. En outre, des récepteurs à haute pression et à basse pression (non représentés) peuvent être reliés respectivement aux extrémités d'entrée à basse pression et d'évacuation à haute pression du compresseur recevant le fluide de travail constitué d'hélium gazeux en provenance de ltévaporateur de gaz naturel liquéfié. Les récepteurs à haute pression et à basse pression sont reliés à un compresseur à pompe qui peut déplacer le fluide de travail gazeux d'un récepteur à basse pression vers un récepteur à -haute.pression. Comme indiqué ici également le fluide de travail gazeux utilisé dans le cycle de production d'énergie fonctionnant conformément à l'invention ne se limite pas ausfluides de travail gazeux mentionné spécifiquement ici mais il s'étend àn'importe quel gaz convenable susceptible de servir de fluide de travail dans un cycle fermé de Brayton ou à des mélanges de gaz. En outre, bien que dans-les modes de réalisation de cette invention on ait insisté sur son utilisation particulière en vu de la gazéification du gaz naturel liquéfié, Is modes de réalisation de cette invention sont également applicables à la gazéification d'autres gaz à basse température liquéfiés ou à leurs mélanges tel qutà des gaz liquéfiés comme l'azote, l'hydrogène, l'élium, l'air et autres gaz selables. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'énergie dans lequel un fluide de travail gazeux à une température et à une pression relativement élevées est envoyé dans un système de turbine de production d'énergie à cycle fermé pour produiredelénergie et dans lequel le fluide de travail gazeux de sortie à faible pression issu de la turbine est refroidi à une température sensiblement inférieure à la température ambiante par échange de chaleur indirecte avec un fluide cryogénique liquéfié ou un mélange de teD fluides dans des conditions permettant la gazéi ficatinn du fluide. cryogénique ou du mélange de fluides ryogé niques, et est ensuite comprimé, chauffé et recyclé vers la turbine de production d'énergie, caractérisé essentiellement en ce que le fluide de travail gazeux comprimé est chauffé par échange de chaleur indirecte avec du gaz de synthèse chaud produit par oxydation partielle d'une substance carbonée et/ou hydro- carbonée. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide de travail gazeux de sortie est refroidi à une température sensiblement inférieure à la température ambiante de façon que la température du fluide de travail gazeux détendu refroidi obtenu après compression et avant d'être chauffé se trouve à une température voisine de la température atmosphérique ambiante. 3. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des.revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le refroidissement du fluide de travail gazeux détendu est effectué à une température d'environ -110,6 C, le fluide de travail gazeux refroidi obtenu se trouvant à une pression d'environ 22 à 22,5 bars. 4. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le fluide de travail normalemert gazeux est constitué par de l'hélium et le fluide cryogénique liquéfié est du gaz naturel liquéfié qui est amené à échanger sa chaleur avec le fluide de travail gazeux détendu à une pression supérieure à la pression atmosprique d'environ 70 bars et à une température d'environ -161 'c. 5. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 3 et 4 caractérisé en ce que le fluide de travail gazeux refroidi est comprimé à une pression d'environ 71,4 bars et à une température d'environ 4,4du. 6. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que le fluide de travail gazeux détendu se trouve à une température de 2o',70C et à une pression d'environ 22,6 bars, et est refroidi à une tempe rature d'environ -110,6 C et à une pression d'environ 22,2 bars. 7. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque de. revendIcations 3 à 6 caractérisé en ce que le refroidissement du fluide de travail gazeux est effectué en utilisant des quantités relatives de Fluide de travail gazeux détendu à refroidir et de gaz naturel liquéfié utilisé au refroidissement, pour gazéifier le gaz naturel liquéfié afin d'cbtenii du gaz naturel gazéifié à une teFrature d'environ 15,6JC, et à une pression-d'au moins environ 70 bars permettent l'alimentation d'un oléoduc. 8. Système de production d'énergie comprenant une installation de turbine à gaz à cycle fermé contenant un fluide de travail et comportant un compresseur entraîné par une turbine, un premier échangeur relié à l'entrée du compresseur, un second échangeur de chaleur relié à l'entrée de- la turbine, le premier échangeur de chaleur, le compresseur, le second échangeur de ohaleur et la turbine étant reliés à la suite en circuit fermé ; une source de fluide cryogénique liquéfié ou un mélange de tels fluides, des moyens pour envoyer le fluide cryogénique liquéfié ou les langes dans le premier échangeur de chaleur ; une source de chialeur, et.des moyens de faire passer la chaleur dans le second échangeur de chaleur ; système caractérisé par un récepteur à haute pression relié à l'entrée basse pression du compresseur, un récepteur basse pression refit à la sortie d'évacuation haute pression du compresseur et des moyens de diriger le fluide du récepteur basse pression vers le récepteur haute pression. 9. Système de production d'énergie selon la revendication 8 caractérisé par un troisième échangeur 12 pourvu d'un conduit primaire et d'un conduit secondaire, le conduit primaire étant relié entre la turbine et le premier échangeur de chaleur et le conduit secondaire étant relié entre le compresseur et le second échangeur de chaleur. 10. Système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 8 et 9 caractérisé en ce qu'un générateur de gaz de synthèse est prévu pour diriger les produits de la réaction chauds vers le premier échangeur de chaleur 15 qui met ces produits en relation d'échange de chaleur avec le fluide de travail de sortie comprimé et refroidi avant de renvoyer ce fluide dans la turbine 19.