Brevet FR2768459A1 — publié le 19990319

Turbine à gaz ou usine de production d'énergie à cycle combiné et procédé d'exploitation de cette dernière. Cette invention concerne des turbines à gaz ou des usines de production d'énergie à cycle combiné et, plus particulièrement, une installation dans laquelle des gaz de traitement utilisés pour alimenter la chambre de combustion de la turbine à gaz sont soumis à un nettoyage initial qui élimine les gaz inertes. Les combustibles utilisés dans les turbines à gaz sont typiquement des hydrocarbures se présentant sous la forme de pétrole ou de gaz naturel. Le combustible à utiliser dans une usine fixe particulière est généralement déterminé par des considérations économiques et de disponibilité du combustible. Les traitements industriels créent souvent des sous-produits qui sont combustibles. On peut citer par exemple les déchets des sucreries, le coke de pétrole des raffineries, les gaz des haut fourneaux, les déchets des scieries, qui peuvent être transformés en des combustibles pour turbine à gaz. Tous les combustibles peuvent être caractérisés par un pouvoir calorifique exprimé en Joules par kilogramme (BTU par livre). Le pouvoir calorifique peut être défini comme l'énergie disponible dans les produits de combustion quand ils sont refroidis à une température de référence, et il se situe typiquement autour de 43 000 kJ/kg (18 500 PTU/lb) pour du fuel-oil léger. La forme et la qualité des combustibles disponibles en tant que sous-produits dans les traitements industriels varie et ces produits peuvent avoir besoin d'un traitement supplémentaire approprié pour pouvoir être utilisés dans une turbine à gaz. Par exemple, le coke de pétrole ou les queues de distillation des raffineries peuvent être transformés en gaz pour produire un mélange de CO et de H2 approprié à une turbine à gaz tout en permettant l'élimination des polluants dangereux pour l'environnement (le soufre par exemple). Même des sous-produits gazeux comme les gaz de hauts fourneaux doivent être comprimés pour répondre aux exigences des turbines à gaz. La présente invention concerne un procédé d'enrichissement d'un sous-produit gazeux combustible, comme un gaz de haut fourneau venant d'une aciérie, en vue de sa combustion dans une turbine à gaz ou dans une usine de production d'énergie à cycle combiné. De manière plus précise, la présente invention s'intéresse à l'élimination des gaz inertes comme le CO2 d'un sous-produit gazeux avant, ou pendant. sa compression en vue d'une combustion dans une turbine à gaz ou une usine de production d'énergie à cycle combiné, afin d'augmenter le pouvoir calorifique du combustible, de diminuer l'énergie de compression nécessaire et éventuellement de réduire les dimensions de l'installation de nettoyage des gaz si elle est située en amont. Donc, en plus de l'installation habituelle de nettoyage des gaz qui élimine la poussière, les cendres, le soufre, etc des gaz de traitement avant leur introduction dans l'étage de combustion de la turbine à gaz, la présente invention utilise une autre installation de nettoyage, située en amont ou en aval de l'installation de nettoyage classique et servant à éliminer les gaz inertes. La technique d'élimination de gaz inerte particulière qui est employée peut être l'une quelconque de celles disponibles sur le marché. En retirant les gaz inertes du sous-produit gazeux combustible, on améliore de manière significative le pouvoir calorifique et les caractéristiques d'inflammabilité du sous-produit gazeux. Une pratique connue consiste à mélanger du gaz naturel au sous-produit gazeux pour augmenter son pouvoir calorifique (l'enrichir) et pour améliorer ses propriétés de combustion. Par conséquent, dans un premier exemple de mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé d'exploitation d'une turbine à gaz, dans lequel on utilise comme combustible dans la turbine des gaz de traitement qui sont un sous-produit gazeux, l'amélioration apportée par l'invention comprenant les étapes consistant à a) retirer les gaz inertes du gaz de traitement, pour produire ainsi un gaz de traitement enrichi, b) augmenter si nécessaire la pression du gaz de traitement enrichi jusqu'à une valeur minimale, et c) envoyer le gaz de traitement enrichi à la chambre de combustion de la turbine à gaz. Les gaz inertes éliminés comprennent du C02. n est possible de procéder à une élimination d'autres impuretés des gaz de traitement avant l'étape (c), ces impuretés comprenant des particules de poussière. L'étape (a) peut se faire à l'aide d'une ou plusieurs soufflantes. La turbine à gaz peut faire partie d'une usine de production d'énergie à cycle combiné qui comprend un ou plusieurs générateurs de vapeur à récupération de chaleur et une ou plusieurs turbines à vapeur. Les gaz d'échappement de la turbine à gaz peuvent alors être utilisés pour produire de la vapeur dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur pour les turbines à vapeur au nombre d'au moins une. Les gaz de traitement détournés vers le générateur de vapeur à récupération de chaleur peuvent être brûlés avec les gaz d'échappement restants de la turbine à gaz dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur. Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbine à gaz ou une usine de production d'énergie à cycle combiné comprenant une ou plusieurs turbines à gaz, une source de gaz de traitement qui sera utilisé comme combustible dans la ou les turbine(s) à gaz, un poste d'enrichissement des gaz servant à éliminer les gaz inertes des gaz de traitement avant ou pendant la compression du gaz combustible, un poste de nettoyage des gaz situé en amont ou en aval du poste d'enrichissement des gaz, éventuellement un générateur de vapeur à récupération de chaleur alimenté par l'échappement de la turbine à gaz pour produire de la vapeur destinée à une turbine à vapeur, un moyen pour conduire les gaz d'échappement de la turbine à gaz au générateur de vapeur à récupération de chaleur, et une turbine à vapeur. La partie inférieure du cycle combiné de la turbine à gaz peut éventuellement utiliser un fluide moteur autre que la vapeur, comme le cycle Kalina qui utilise un mélange de NH3 et H2O. Une partie des gaz de traitement peut être détournée vers un brûleur du générateur de vapeur à récupération de chaleur. La turbine à gaz ou l'usine à cycle combiné peut comprendre en outre une ou plusieurs soufflantes servant à augmenter la pression du gaz de traitement, située(s) en amont du poste de nettoyage des gaz et du poste d'enrichissement des gaz. D'autres objets et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée suivante, faite en référence à l'unique figure d'accompagnement qui représente l'installation de l'invention sous forme de schéma synoptique. Dans l'exemple de mode de réalisation, et en référence à l'unique figure des dessins, des gaz de traitement chauds venant d'une source de gaz combustible 10 ont leur pression augmentée par une ou plusieurs soufflantes 14 (c'est le début de la compression du gaz combustible) jusqu'à une pression plus élevée, comme requis pour leur passage à travers l'installation de nettoyage des gaz 16 disposée de manière habituelle (et en vue en dernier lieu d'une combustion dans la turbine à gaz). Dans cette installation, la poussière, les cendres et autres (appelées ci-après "particules") sont éliminées de manière classique. Une partie des gaz de traitement peut être détournée vers un générateur de vapeur à récupération de chaleur 18 (HRSG) après combustion dans un brûleur 20 qui reçoit le gaz avant ou après le poste de nettoyage 16. Comme les gaz dans le HRSG 18 n'ont pas besoin d'être aussi propres que les gaz de combustion de la turbine à gaz, il n'est pas nécessaire de leur faire traverser le poste ou installation 16 de nettoyage des gaz. Si on veut en outre une certaine stabilité de combustion, le courant combustible du brûleur du HRSG peut aussi être détourné après le poste d'enrichissement 12. Une fois que les particules ont été retirées dans le poste de nettoyage 16, les gaz de traitement restants sont envoyés au poste d'enrichissement 12 où les gaz inertes (CO2 dans l'exemple) sont éliminés par une technique classique. Si on le souhaite, du gaz combustible propre peut être ajouté à cet endroit, comme indiqué par les traits pointillés sur la figure. Des systèmes classiques pour éliminer les gaz inertes sont disponibles auprès des sociétés Dow Chemical (GAS/SPEC Specialty Amines), Union Carbide (SELEXOL) et Benfield (Hot Carbonate). Les gaz de traitement nettoyés au poste 16 et enrichis dans le poste 12 sont introduits dans l'étage de combustion 22 de la turbine à gaz 24 qui entraîne une génératrice 26. Si nécessaire, ces gaz peuvent en outre avoir leur pression encore augmentée après le poste d'ennchissement 12 par un compresseur optionnel 21 jusqu'à avoir une pression minimale, appropriée à l'étage de combustion de la turbine à gaz. D'autre part, du gaz combustible propre venant d'une autre source peut aussi être ajouté entre le compresseur 21 et l'étage de combustion 22 de la turbine à gaz. Les gaz d'échappement de la turbine à gaz peuvent être utilisés dans le HRSG 18 (où ils se mélangent aux gaz venant du brûleur 20 s'il existe) pour produire de la vapeur destinée à la turbine à vapeur 28 qui entraîne une deuxième génératrice 30. Quand on retire les gaz inertes, en particulier le CO2 dans l'exemple de mode de réalisation, on peut augmenter le pouvoir calorifique du gaz d'environ 38%. L'élimination des gaz inertes conduit aussi à une diminution de l'énergie de compression et à une possible diminution des dimensions de l'installation classique de nettoyage 16 si elle est située en amont de cette installation. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'exploitation d'une turbine à gaz dans lequel on utilise comme combustible dans la turbine des gaz de traitement qui sont des sous-produits, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à a) retirer les gaz inertes du gaz de traitement pour produire ainsi un gaz de traitement enrichi, b) augmenter la pression du gaz de traitement enrichi jusqu'à une valeur minimale prédéterminée, et c) envoyer le gaz de traitement enrichi à la chambre de combustion de la turbine à gaz (22). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz inertes enlevés comprennent du CO2. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, avant l'étape (c), l'étape consistant à retirer des impuretés supplémentaires desdits gaz de traitement. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les impuretés supplémentaires comprennent des particules de poussière. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape (a) est effectuée à l'aide d'une ou plusieurs soufflantes. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine à gaz fait partie d'une usine de production d'énergie à cycle combiné, contenant un ou plusieurs générateurs de vapeur à récupération de chaleur (18) et une ou plusieurs turbines à vapeur (28). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une partie des gaz de traitement est détournée vers le générateur de vapeur à récupération de chaleur avant ou après l'étape de la revendication 3. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les gaz d'échappement de la turbine à gaz sont utilisés pour produire de la vapeur dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur pour les turbines à vapeur au nombre d'au moins une. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les gaz de traitement détournés vers le générateur de vapeur à récupération de chaleur sont brûlés avec les gaz d'échappement restants de la turbine à gaz dans le générateur de vapeur à récupération de chaleur. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les gaz inertes retirés contiennent du CO2. 11. Usine de production d'énergie à turbine à gaz ou à cycle combiné comprenant au moins une turbine à gaz, caractérisée en cc qu'elle comprend une installation de traitement (10) qui fournit un sous-produit gazeux à utiliser comme combustible dans la turbine à gaz au nombre d'au moins une, un poste d'enrichissement des gaz (12) servant à éliminer les gaz inertes du sous-produit gazeux avant ou pendant la compression du gaz combustible, un poste de nettoyage des gaz (16) situé en amont ou en aval du poste d'enrichissement des gaz. et éventuellement un générateur de vapeur à récupération de chaleur (18), placé entre la turbine à gaz et une turbine à vapeur, et un moyen pour conduire les gaz d'échappement de la turbine à gaz au générateur de vapeur à récupération de chaleur afin de produire de la vapeur pour la turbine à vapeur. 12. Usine de production d'énergie à turbine à gaz ou à cycle combiné selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'une partie des gaz de traitement est détournée vers un brûleur (20) du générateur de vapeur à récupération de chaleur. 13. Usine de production d'énergie à turbine à gaz ou à cycle combiné selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une ou plusieurs soufflantes (14) servant à augmenter la pression du gaz de traitement, lesdites soufflantes étant situées en amont du poste de nettoyage des gaz et du poste d'enrichissement des gaz.