Brevet FR2806755A1 — publié le 20010928

La présente invention est relative à un procédé et une installation de génération d'énergie. En particulier elle est relative à un procédé et une installation de génération d'énergie dans lesquels un appareil de séparation d'air envoie un débit de gaz enrichi en azote en amont d'une machine de détente qui génère de l'énergie en détendant des gaz de combustion. Elle concerne également des procédés et des installations de séparation d'air adaptés à être intégrés dans un procédé de génération d'énergie de ce genre. Différents schémas ont été proposés pour intégrer les turbines à gaz et les unités de séparation d'air par distillation cryogénique, en particulier dans le cadre des IGCC (gasifications intégrées à cycle combiné) et des unités de séparation d'air par distillation cryogénique fonctionnant à haute pression. Typiquement tel que décrit dans US-A-4224045, de l'air est prélevé sur le compresseur d'air de la turbine à gaz pour alimenter au moins partiellement l'unité de séparation d'air qui en retour envoie de l'azote soit dans le combustible destiné à la chambre de combustion soit en amont de la machine de détente de la turbine. Dans US-A-4382366, qui constitue l'art antérieur le plus proche, tout l'air comprimé dans un compresseur couplé à une turbine à gaz est envoyé à une simple colonne. La chambre de combustion est alimentée par du carburant et de l'azote impur provenant des échangeurs réversibles de l'appareil de séparation d'air. Un but de la présente invention est de simplifier la conception de la chambre de combustion. Un autre but de l'invention est de réduire la production des N0x par la turbine à gaz. Selon un objet de l'invention il est prévu un procédé de génération d'énergie utilisant un appareil de génération d'énergie comprenant les étapes de i) comprimer de l'air dans un compresseur; ii) envoyer au moins une partie de l'air comprimé dans le compresseur à un appareil de séparation d'air pour produire au moins un fluide enrichi en oxygène et au moins un gaz enrichi en azote et contenant également de l'oxygène; iii) envoyer du combustible et au moins une partie du gaz enrichi en azote à une chambre de combustion afin de produire des gaz de combustion, I'air comprimé dans le compresseur n'étant pas envoyé à la chambre de combustion et, iv) détendre les gaz de combustion dans une machine de détente couplée au compresseur pour récupérer de l'énergie; caractérisé en ce que le gaz enrichi en azote est comprimé à une pression entre 8 et 30 bar avant d'être envoyé à la chambre de combustion. Ainsi comme tout l'air du compresseur de la turbine à gaz est envoyé à l'appareil de séparation d'air, la chambre de combustion est simplifiée. La combustion avec l'oxygène contenu dans un débit de gaz de l'air enrichi en azote provenant d'un appareil de séparation d'air permet une très faible production de N0x. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention - I'air du compresseur est envoyée à l'appareil de séparation d'air; - une partie de l'air du compresseur est envoyé à l'appareil de séparation d'air et le reste de l'air comprimé dans le compresseur sert à refroidir au moins un élément de l'appareil autre que la chambre de combustion; - I'air envoyé à l'appareil de séparation d'air provient du compresseur; - une partie de l'air envoyé à l'appareil de séparation d'air provient d'un compresseur d'appoint ou d'une source d'air sous pression; - on envoie de l'air d'un compresseur d'appoint à la chambre de combustion; - I'air du compresseur d'appoint est mélangé avec au moins une partie du gaz enrichi en azote avant d'être envoyé à la chambre de combustion - on envoie au moins une partie du gaz enrichi en oxygène pour effectuer la gazéification d'un combustible contenant du carbone de façon à générer un débit de combustible - le seul gaz envoyé à la chambre de combustion à part le combustible est le gaz enrichi en azote; - le gaz enrichi en azote contient au moins 5% molaires et au plus 18% molaires d'oxygène; - un autre débit gazeux contenant de l'oxygène est envoyé à la chambre de combustion à part le combustible et le gaz enrichi en azote; - I'autre débit gazeux comprend de 2 à 100% molaires d'oxygène; - le gaz enrichi en azote contient moins de 18% molaires d'oxygène; - le gaz enrichi en azote contient moins de 5% molaires d'oxygène; - I'air est comprimé par le compresseur jusqu'à entre 8 et 20 bar; Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de génération d'énergie comprenant i) un compresseur; ii) une machine de détente couplée au compresseur; iii) une chambre de combustion; iv) un appareil de séparation d'air; v) des moyens pour envoyer de l'air du compresseur à l'appareil de séparation d'air; vi) des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote et contenant de lI'oxygène de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion et aucun moyen d'envoi d'air du compresseur à la chambre de combustion; caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour comprimer le gaz enrichi en azote avant de l'envoyer à la chambre de combustion. Selon d'autres aspects optionnels, il est prévu: - un compresseur d'appoint pour envoyer de l'air à l'appareil de séparation d'air; - un gazéifieur, des moyens pour envoyer un gaz enrichi en oxygène de l'appareil de séparation d'air au gazéifieur et des moyens pour envoyer du combustible du gazéifieur à la chambre de combustion. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air dans un appareil comprenant au moins trois colonnes dans lequel on envoie de l'air comprimé et épuré à une première colonne on extrait de la première colonne un débit enrichi en azote et un liquide enrichi en oxygène, on envoie le débit enrichi en oxygène à une deuxième colonne, on soutire un débit de la tête de la deuxième colonne, on envoie au moins une partie du liquide de cuve de la deuxième colonne à troisième colonne et on soutire un deuxième débit enrichi en oxygène et un deuxième débit enrichi en azote de la troisième colonne, la troisième colonne opérant à une pression plus basse que la deuxième colonne et étant reliée thermiquement à celle-ci par moyen d'un rebouilleurcondenseur.. caractérisé en ce que de l'air comprimé et épuré est envoyé au moins quelques plateaux au-dessus de la cuve de la première colonne et un rebouilleur de cuve de la première colonne est chauffé par un autre débit. 1 0 Selon d'autres aspects facultatifs: - des moyens pour envoyer l'air liquéfié dans le rebouilleur de cuve de la première colonne à la deuxième et/ou à la troisième colonne; - la première colonne opère sensiblement à la même pression que la deuxième colonne; - des moyens pour comprimer le gaz enrichi en azote avant de l'envoyer à la chambre de combustion. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant au moins trois colonnes, des moyens pour envoyer de l'air à une première colonne, des moyens pour envoyer un débit enrichi en oxygène de la première colonne à la deuxième colonne, un rebouilleur- condenseur reliant thermiquement la tête de la deuxième colonne et la cuve de la troisième colonne, des moyens pour soutirer un débit de la tête de la deuxième colonne, des moyens pour envoyer au moins une partie du liquide de cuve de la deuxième colonne à une troisième colonne et des moyens pour soutirer un deuxième débit enrichi en oxygène et un deuxième débit enrichi en azote de la troisième colonne caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour envoyer de l'air comprimé et épuré à la première colonne au-dessus d'au moins un plateau théorique de celle-ci, un rebouilleur de cuve de la première colonne et des moyens pour envoyer un gaz de chauffage au rebouilleur de cuve. Selon un autre aspect facultatif, il est prévu - des moyens pour soutirer un débit de la tête de la deuxième colonne. De manière à optimiser le fonctionnement de la chambre de combustion, le comburant peut être un mélange d'azote résiduaire d'un ASU et d'air d'appoint afin de contrôler la teneur en oxygene. L'invention sera maintenant décrite en plus de détail en se référant aux figures 1 et 2. La Figure 1 est un schéma d'une installation de production d'énergie selon l'invention La Figure 2 est un schéma d'une installation de séparation d'air (ASU) selon l'invention. Dans la Figure 1 un compresseur 1 couplé à une machine de détente 3 comprime de l'air à une pression entre 8 et 20 bar. Tout cet air est refroidi, épuré et envoyé à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique 5 qui produit un débit d'oxygene gazeux ou liquide 7, un débit d'azote gazeux ou liquide 9 et un débit d'azote résiduaire gazeux 11 contenant 91% molaires d'azote et 9% molaires d'oxygëne à entre 3 et 11 bar. L'azote résiduaire est réchauffé à la température ambian:e et comprimé dans un compresseur 13 à une pression entre 8 et 30 bar. En variante, I'appareil de séparation d'air peut séparer l'air par perméation ou adsorption. Au moins une partie de l'azote gazeux comprimé 15 est envoyé avec un débit de gaz naturel 17 à une chambre de combustion 19. L'oxygène contenu dans l'azote gazeux sert de carburant. Eventuellement comme montré en pointillés, un débit d'air 25 à une pression entre 8 et 30 bar provenant d'un compresseur d'appoint 21 ou d'un autre source d'air sous pression est envoyé à la chambre de combustion 1 9. Dans ce cas, comme l'air contient de l'oxygène, le contenu en oxygène de l'azote résiduaire peut être plus bas selon la quantité d'air envoyé à la chambre de combustion 19; le débit enrichi en azote peut ne comprendre que entre 2 et 5% d'oxygène. Un autre débit d'air 23 de ce compresseur et/ou un débit d'azote résiduaire comprimé peut refroidir les inter-étage de la machine de détente 3 ou du compresseur d'azote 13. Un autre débit d'air 29 de ce compresseur et/ou un débit d'azote résiduaire comprimé peut être mélangé avec les gaz de combustion 33 et le tout est ensuite envoyé à la machine de détente. La chambre de combustion ne reçoit pas d'air du compresseur 1. Un autre débit d'air de ce compresseur et/ou un débit d'azote résiduaire comprimé 39 peut refroidir le rotor de la machine de détente 3 ou les parois de la chambre de combustion 19. Une partie de l'air 35 du compresseur d'appoint 21 peut être séparée dans I'appareil de séparation d'air 5. De cette façon, l'appareil peut être alimenté en air quand le compresseur 1 ne fonctionne pas. Autrement ce débit supplémentaire d'air du compresseur 21 peut permettre d'augmenter la production d'oxygène de l'appareil 5. Eventuellement de l'air du compresseur 1 peu: ne pas être envoyé à l'appareil de séparation d'air 5 car il est utilisé pour refroidir divers éléments de la turbine à gaz. Cette partie de l'air peut représenter environ 25% de l'air comprimé. L'appareil de séparation d'air peut être alimentée totalement ou patiellement par de l'air provenant d'un compresseur dédié, La Figure 2 montre un appareil de séparation d'air comprenant une première colonne 101 opérant entre 4 et 30 bar, une deuxième colonne 102 opérant entre 4 et 30 bar et une troisième colonne 103 opérant entre 1,3 et 10 bar. Cet appareil pourrait servir d'appareil de séparation 5 de la Figure 1. De préférence, les colonnes 101,102 opèrent au-dessus de 8 bar. L'air du compresseur 1 est épuré et divisé en deux 105,107.Un débit 105 se refroidit dans l'échangeur principal 109 et est envoyé en tête de la première colonne 101 comme seule alimentation. L'autre débit 107 est surpressé dans le su7presseur 127 (qui peut être un surpresseur froid) et refroidi dans l'échangeur 109; ensuite il est envoyé au rebouilleur de cuve 111 de la première colonne 101 o il se condense au moins partiellement avant d'être envoyé après détente à la deuxième colonne. La deuxième colonne est alimentée en cuve quelques plateaux théoriques en dessous de l'air partiellement condensé par un débit de liqLuide provenant de la cuve de la première colonne 101. Le gaz de tête de la première colonne constitue de l'air appauvri 115, donc ce débit enrichi en azote peut être. destiné au compresseur 13 car il est presque à la' même pression que l'air d'alimentation. Le liquide de cuve de la deuxième colonne est détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la troisième colonne comme seule alimentation. La cuve de la troisième colonne est reliée thermiquement avec la tête de la deuxième colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur 113. Le gaz de tête de la deuxième colonne 102 est de l'azote à haute pression 119. De l'oxygène gazeux 121 est soutiré en cuve de la colonne 103. Eventuellement ce débit peut être soutiré sous forme liquide, pressurisé et vaporisé dans l'échangeur 109. Un gaz de tête 117 de la troisième colonne constitue un débit enrichi en azote à basse pression et peut servir à refroidir divers éléments tels que les inter- étages de la turbine, le rotor etc. plutôt que l'air appauvri 115 qui, lui, est à pression élevée. Evidemment l'appareil doit être tenu en froid par un moyen non-illustré qui peut être une turbine Claude envoyant de l'air à la colonne 101,102, une turbine d'insufflation envoyant de l'air à la colonne 103, une turbine d'azote résiduaire 117 si la colonne 103 est sous pression ou une turbine d'azote moyenne pression 119. Les deuxième et troisième colonnes peuvent être remplacées par une triple colonne. Le schéma de la Figure 2 a été décrit dans le contexte d'un procédé intégré dans lequel tout l'air du compresseur de la turbine à gaz est envoyé à I'ASU mais il est évident que le schéma peut être utilisé dans des cas ou tout ou une partie de l'air de ce compresseur est envoyé à la chambre de combustion ou même dans le cas o l'ASU n'est pas intégré avec un autre appareil. Les compresseurs 13,21 et 127 peuvent être couplés à une (des) turbine(s) de l'installation, par exemple une turbine à vapeur. REVENDICATIONS 1. Procédé de génération d'énergie utilisant un appareil de génération d'énergie comprenant les étapes de: i) comprimer de l'air dans un compresseur (1); ii) envoyer au moins une partie de l'air comprimé dans le compresseur à un appareil de séparation d'air (5) pour produire au moins un fluide enrichi en oxygène(7) et au moins un gaz enrichi en azote (9,11) et contenant également de l'oxygène; iii) envoyer du combustible (17) et au moins une partie du gaz enrichi en azote( 11) à une chambre de combustion afin de produire des gaz de combustion (33), I'air comprimé dans le compresseur (1) n'étant pas envoyé à la chambre de combustion; et iv) détendre les gaz de combustion dans une machine de détente (3) couplée au compresseur pour récupérer de l'énergie; caractérisé en ce que le gaz enrichi en azote est comprimé à une pression entre 8 et 30 bar avant d'être envoyé à la chambre de combustion. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout l'air du compresseur (1) est envoyé à l'appareil de séparation d'air (5). 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une partie de l'air du compresseur (1) est envoyé à l'appareil de séparation d'air (5) et le reste de l'air comprimé dans le compresseur sert à refroidir au moins un élément de l'appareil autre que la chambre de combustion (19). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel tout l'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (5) provient du compresseur (1). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel une partie(35) de l'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (5) provient d'un compresseur d'appoint (21) ou d'une source d'air sous pression. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel on envoie de l'air d'un compresseur d'appoint (21) à la chambre de combustion (19) 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel au moins une partie de l'air du compresseur d'appoint (21) est mélangé avec au moins une partie du gaz enrichi en azote (11) avant d'être envoyé à la chambre de combustion. 8. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel on envoie au moins une partie du gaz enrichi en oxygène (7) pour effectuer la gazéification d'un combustible contenant du carbone de façon à générer un débit de combustible. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 ou 8 dans lequel le seul gaz envoyé à la chambre de combustion à part le combustible (17) est le gaz enrichi en azote (11,15). 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz enrichi en azote (11,15) contient au moins 5% molaires et au plus 18% molaires d'oxygène. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 ou 8 dans lequel un 1 5 autre débit gazeux contenant de l'oxygène est envoyé à la chambre de combustion (19) à part le combustible (17) et le gaz enrichi en azote (11. 15). 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel l'autre débit gazeux comprend de 2 à 100% molaires d'oxygène. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12 dans lequel le gaz enrichi en azote (11,15) contient moins de 18% molaires d'oxygène. 14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel le gaz enrichi en azote (11,15) contient moins de 5% molaires d'oxygène. 15. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air est comprimé par le compresseur (1) jusqu'à entre 8 et 20 bar. 16. Installation de génération d'énergie comprenant: i) un compresseur (1) ii) une machine de détente (3) couplée au compresseur; iii) une chambre de combustion (19); iv) un appareil de séparation d'air (5) v) des moyens pour envoyer de l'air du compresseur à l'appareil de séparation d'air; vi) des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote (11,15) et contenant de l'oxygène de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion et aucun moyen d'envoi d'air du compresseur à la chambre de combustion; caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (13) pour comprimer le gaz enrichi en azote avant de l'envoyer à la chambre de combustion. 17. Installation selon la revendication 16 comprenant un compresseur d'appoint (21) pour envoyer de l'air à l'appareil de séparation d'air. 18. Installation selon la revendication 16 ou 17 comprenant un gazéifieur, des moyens pour envoyer un gaz enrichi en oxygène de l'appareil de séparation d'air au gazéifieur et des moyens pour envoyer du combustible du gazéifieur à la chambre de combustion.