Brevet FR2774157A1 — publié le 19990730

La présente invention concerne des installations combinées comprenant au moins un four, typiquement un four de traitement de métal, alimenté en air comprimé, et au moins un appareil de distillation d'air produisant de l'oxygène pour enrichir l'air fourni au four, ainsi que les procédés de mise en oeuvre de telles installations combinées. Pour enrichir en oxygène un flux d'air, la production d'oxygène de haute pureté n'est pas requise et l'utilisation d'un appareil de distillation comportant une colonne de mélange, tel que décrit dans le document US-A- 4 022 030 (Brugerolle) convient. Des installations combinées d'un haut fourneau et d'un appareil de distillation d'air comprenant une telle colonne de mélange sont décrites par exemple dans les documents US-A-5 244 489 (Grenier) et EP-A-0 531 182 au nom de la demanderesse. Les approches suivies dans ces deux documents sont toutefois opposées: dans le document US-A-5 244 489, l'appareil de distillation est entièrement alimenté en air par une dérivation du vent d'une soufflante de haut fourneau et la part du flux d'air fournie à la colonne de mélange est légèrement surpressée par un surpresseur entraîné par une turbine de maintien en froid détendant la part du flux d'air adressée à la colonne moyenne pression, dans un agencement imposant, pour effectuer ladite surpression, de turbiner une part importante de l'air d'alimentation de la colonne moyenne pression occasionnant des pertes de rendement d'extraction et d'énergie ainsi que des surdimensionnements des postes de réfrigération et d'épuration de l'air d'alimentation de l'appareil de distillation. A l'opposé, le document EP-A-0 531 182 prévoit une séparation complète des alimentations en air du haut fourneau, de la colonne moyenne pression et de la colonne de mélange mettant en oeuvre des moyens de compression distincts pour, notamment, permettre la production, dans la colonne de mélange, d'oxygène impur à des pressions élevées, dans un agencement onéreux en matière d'investissement et d'exploitation de machines tournantes et n'envisageant aucune synergie entre ces dernières. La présente invention a pour objet de proposer une installation combinée et un procédé de mise en oeuvre d'une telle installation combinée à intégration extrêmement poussée et permettant des coûts d'exploitation notablement réduits tout en offrant une flexibilité dans la sélection des plages de fonctionnement. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le procédé de mise en oeuvre d'une installation combinée est du type comprenant au moins un four alimenté en air par au moins une soufflante fournissant de l'air à une première pression Pl et en oxygène par au moins un appareil de distillation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression alimentée en air au moins partiellement par la soufflante du four, et une colonne de mélange fournissant l'oxygène au four, et dans lequel la colonne de mélange est alimentée en air par un compresseur fournissant de l'air à une pression P2 supérieure à P1. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la colonne moyenne pression est alimentée uniquement par de l'air comprimé fourni par la soufflante du four. Selon une autre caractéristique de l'invention, la colonne moyenne pression est alimentée également par de l'air comprimé fourni par au moins un étage de compresseur sur une même ligne d'arbre que le compresseur alimentant la colonne de mélange. La présente invention a également pour objet une installation combinée comprenant au moins un four, au moins une soufflante débitant dans une ligne d'air comprimé principale reliée au four, au moins un appareil de distillation d'air comportant au moins une colonne moyenne pression et une colonne de mélange ayant une ligne de sortie d'oxygène débouchant dans une partie aval de la ligne d'air comprimé principale, une ligne de dérivation depuis la ligne d'air comprimé principale fournissant l'air à au moins la colonne moyenne pression, et au moins un compresseur d'air fournissant de l'air sous pression à au moins la colonne de mélange. Selon l'invention, l'appareil de distillation exploite une partie du débit d'air de la soufflante dérivable en raison de la réinjection ultérieure d'oxygène dans ce débit d'air tout en exploitant au mieux les possibilités offertes par la colonne de mélange en sélectionnant par le choix du compresseur - et de la pompe de liquide inter-colonnes - la pression optimale d'oxygène pour réinjection dans le vent de la soufflante. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: les figures 1 et 2 sont deux modes de réalisation d'une installation combinée selon l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés. Sur les figures, on a représenté schématiquement un four de traitement de métal, en l'occurence un haut fourneau F, et un appareil de distillation d'air associé comprenant essentiellement, dans les exemples représentés, une ligne d'échange principale LE, une double colonne DC avec une colonne moyenne pression MP et une colonne basse pression BP, et une colonne de mélange CM. Le four F est alimenté en air par une soufflante S débitant dans une ligne d'air comprimé principale A un fort volume d'air (supérieur typiquement à 000 Nm3/h) sous une moyenne pression P. n'excédant pas 5,8 x 105 Pa, typiquement entre 3 x 105 Pa et 5,5 x 105 Pa. La ligne A peut également alimenter, en simultané ou en alterné, un autre four de traitement de métal, par exemple un four électrique avec le procédé AOD. Selon l'invention, la colonne moyenne pression MP est alimentée, en cuve, en air sensiblement à la pression P1 de fourniture de la soufflante F par une ligne D dérivée de la ligne principale A et traversant successivement un appareil de refroidissement R, un appareil d'épuration El, typiquement du type à adsorption, puis la ligne d'échange principale LE. La colonne de mélange CM est, pour sa part, alimentée en cuve, en air sous une pression P2 par une ligne L alimentée en air sous pression par un compresseur dédié C entraîné par un moteur M, I'air fourni par ce compresseur C étant épuré dans un second appareil d'épuration E2, également typiquement du type à adsorption, avant de traverser la ligne d'échange LE. De façon classique, du sommet de la colonne basse pression BP part une ligne N d'azote gazeux de moyenne pureté et de la tête de la colonne de mélange CM part une ligne O d'oxygène moyenne pureté qui, selon l'invention, après traversée de la ligne d'échange LE, débouche dans la ligne d'air comprimé principale A en amont du four F pour enrichir en oxygène l'air fourni à ce dernier. Une pompe W comprime l'oxygène liquide prélevé en cuve de la colonne basse pression BP et envoyé en tête de la colonne de mélange CM sensiblement à la pression P2 de l'air admis par la ligne L dans la colonne de mélange CM. La pression P2 est choisie légèrement supérieure à la pression Pl dans la ligne A pour tenir compte des pertes de charge dans l'appareil de distillation d'air, dans les dispositifs de mélange air chaud/oxygène en aval de la ligne A et pour optimiser la régulation de cette injection d'oxygène. Typiquement, P2 - P1 est compris entre 0,3 x 105 Pa et 4 x 105 Pa, avantageusement entre 0, 5 x Pa et 1,5x 105 Pa. Dans le mode de réalisation de la figure 1 une partie du flux d'air dans la ligne D est dérivée vers la colonne basse pression BP en étant turbinée dans une turbine t servant notamment au maintien en froid de l'appareil. Le moteur M d'entraînement du compresseur C alimentant la colonne de mélange CM est par exemple un moteur électrique exploitant avantageusement l'énergie électrique produite sur site par une installation de cogénération, ou une turbine exploitant un fluide sous pression disponible sur le site. La turbine test avantageusement couplée à un surpresseur c pour surpresser un fluide comprimé de l'installation, typiquement le flux d'air épuré dans la ligne L, afin d'optimiser l'investissement pour le compresseur dédié C et/ou la puissance fournie par le moteur M. Egalement avantageusement, pour atténuer les conséquences d'éventuelles variations de flux disponible à partir de la soufflante S, on prévoit une ligne!, munie d'un organe de détente, entre les parties aval des lignes D et L pour adresser, au moins temporairement, une partie du flux dans la ligne L vers la colonne moyenne pression MP en complémentant ainsi le flux prélevé dans la ligne A de la soufflante. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le compresseur C débitant dans la ligne L comprime un flux d'air dérivé, dans une ligne de dérivation B, de la ligne D d'alimentation de la colonne moyenne pression MP, en aval de l'appareil d'épuration El. Pour pallier le flux d'air ainsi prélevé dans la ligne D, un flux d'air additionnel, sensiblement à la pression Pl, est introduit dans cette ligne D, en amont de l'appareil de refroidissement R, par une ligne G provenant d'un étage amont (ici deuxième étage EC2) d'une ligne de compresseurs GC sur la même ligne d'arbre duquel est monté le compresseur C alimentant la colonne de mélange CM. Comme représenté sur la figure 2, la ligne de compresseur ECi - C est avantageusement entraîné par une turbine T détendant un fluide sous pression FI disponible sur le site, typiquement de la vapeur d'eau. Dans le mode de réalisation de la figure 2, la pression en sortie du compresseur C pouvant être choisie supérieure à la pression requise P2 pour la colonne de mélange, l'air en sortie de ce compresseur C peut être turbiné jusqu'à la pression P2 dans la turbine t qui peut ainsi être exploitée pour entraîner un surpresseur c servant à surpresser l'un des fluides entrant ou sortant de l'appareil de distillation, par exemple, comme représenté sur la figure 2, I'azote impur dans la ligne N pour aider à la valorisation de cet azote impur, par exemple en l'introduisant comme ballast dans la chambre de combustion d'un groupe de turbine à gaz exploitant un gaz combustible transformé d'un gaz résiduaire du four F. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art et demeureront dans le cadre des revendications ciaprès. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en oeuvre d'une installation combinée comprenant au moins un four (F) alimenté en air par au moins une soufflante (S) fournissant de l'air à une première pression P1 et en oxygène par au moins un appareil de distillation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression (MP) alimentée en air au moins partiellement par la soufflante du four, et une colonne de mélange (CM) fournissant l'oxygène au four, dans lequel la colonne de mélange est alimentée en air à une pression P2 supérieure à P1 par un compresseur (C). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression P1 n'excède pas 5,8 x 105 Pa. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que P2 - P1 est supérieur à 0,3 x 105 Pa. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que P2 - Pl n'excède pas 4 x 105 Pa. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colonne moyenne pression (MP) est alimentée uniquement par de l'air comprimé fourni par la soufflante (S). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la colonne moyenne pression (MP) est alimentée également par de l'air comprimé fourni par au moins un étage (EC1) de compresseur sur une même ligne d'arbre que ledit compresseur (C). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur (C) comprime un flux d'air dérivé du flux d'alimentation de la colonne moyenne pression (MP). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le compresseur (C) est entraîné par détente (T) d'au moins un fluide sous pression (Fi) disponible sur site. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une partie (!) du flux d'air à la pression P2 est détendu et adressé à la colonne MP. 10. Installation combinée comprenant au moins un four (F), au moins une soufflante (S) débitant dans une ligne d'air comprimé principale (A) reliée au moins au four, au moins un appareil de distillation d'air comportant au moins une colonne moyenne pression (MP) et une colonne de mélange (CM) ayant une ligne de sortie d'oxygène (0) débouchant dans la ligne d'air comprimé principale (A), une ligne de dérivation (D) depuis la ligne d'air comprimé principale fournissant l'air au moins à la colonne moyenne pression (MP), et au moins un compresseur d'air (C) fournissant de l'air sous pression à au moins la colonne de mélange (CM). 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil d'épuration de l'air (E1) dans la partie amont de la ligne de dérivation (D). 12. Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que le compresseur d'air (C) est alimenté en air ambiant. 13. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil d'épuration d'air additionnel (E2) entre le compresseur d'air (C) et la colonne de mélange (CM). 14. Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que le compresseur d'air (C) est disposé dans une branche (B) de la ligne de dérivation (D). 15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comprend un groupe de compression (GC) alimenté en air ambiant et comprenant au moins un étage amont (ECi) et un étage final (C) sur une même ligne d'arbre, I'étage final constituant ledit compresseur d'air et la sortie de I'étage amont étant reliée à la zone amont de la ligne de dérivation (D). 16. Installation selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que ledit compresseur d'air (C) est entraîné par une turbine (T) située dans une ligne de fluide sous pression (F).