Brevet FR2825452A1 — publié le 20021206

La présente invention est relative à un appareil de séparation d'air intégré avec une turbine à gaz et à un procédé d'opération de cet appareil. Il est connu d'opérer une turbine à gaz en envoyant du gaz naturel ou un gaz de gueulard d'un haut-fourneau à la chambre de combustion de la turbine à gaz. Si l'air du compresseur est envoyé en partie à la chambre de combustion afin d'obtenir un gaz très chaud qui est remélangé avec l'autre partie de l'air pour ajuster sa température avant d'entrer dans la turbine, cette dernière température étant nettement supérieure à celle du compresseur, la puissance de la turbine est supérieure à celle du compresseur, ce qui laisse une énergie utile. Si l'on sépare une partie de l'air comprimé pour former de l'oxygène et de l'azote, l'azote étant envoyé à la chambre de combustion, il est nécessaire d'envoyer un appoint d'air à l'appareil de séparation d'air pour équilibrer les débits. Dans les cas où la chambre de combustion est alimentée avec un gaz de haut fourneau à faible pouvoir calorifique contenant environ 20% de dioxyde de carbone, 20% de monoxyde de carbone et 60% d'azote, ce gaz peut brûler avec l'air comprimé chaud. Or pour atteindre la température normale de la turbine, il en faut environ vingt fois plus de débit que dans le cas où le carburant serait du gaz naturel. Le débit total de gaz à détendre est alors de 40 à 50% supérieur au débit nominal, ce qui conduit à une impossibilité avec une turbine normalement dimensionnée. De plus comme le gaz du haut fourneau est proche de la pression atmosphérique, il faut le comprimer à la pression de la chambre de combustion. NL-C2-1005439 décrit le cas dans lequel une chambre de combustion est alimentée par du gaz de gueulard qui peut être remplacé par du gaz naturel. 'Developments in Ironmaking and Opportunities for Power Generation'de G. Wingrove et al, 1999 Gasification Technologies Conference, 17-20 octobre, 1999 décrit l'usage du gaz résiduaire d'un appareil de divers appareils de production métallurgique comme carburant d'une turbine à gaz. Il est connu d'alimenter l'appareil de séparation d'air par une turbine à gaz soit à partir d'un compresseur dédié soit à partir du compresseur qui comprime l'air pour la chambre à combustion soit à partir d'un compresseur dédié et du compresseur qui comprime l'air pour la chambre à combustion (EP- A-0538118). L'usage d'un compresseur dédié exige évidemment des dépenses supplémentaires. Or si tout l'air de l'appareil de séparation d'air provient du compresseur de la turbine à gaz et que l'azote de l'appareil de séparation d'air est envoyé à la chambre de combustion ou directement vers la turbine, ceci déstabilise la turbine à gaz car seuls 80% de l'air sont constitués par de l'azote. Il devient donc nécessaire de rajouter du gaz provenant qu'une source autre que l'appareil de séparation d'air comme décrit dans la demande de brevet S4990. Un but de l'invention est de prévoir un appareil de séparation d'air permettant la production d'oxygène par séparation d'air à très bas prix. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil intégré de séparation d'air comprenant un compresseur d'air, une chambre de combustion, dans laquelle s'effectue au moins une réaction chimique en produisant au moins un gaz très chaud, une machine de détente du gaz produit par la réaction chimique mélangé à d'autres gaz et des moyens pour envoyer un combustible de faible pouvoir calorifique à la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer de l'air comprimé du compresseur d'air à l'entrée ou la sortie de la chambre de combustion dans lequel s'effectue au moins une réaction chimique, un appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur d'air à l'appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer au moins un fluide enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air à l'entrée ou la sortie de la chambre de combustion et des moyens pour envoyer un combustible de haut pouvoir calorifique à l'appareil dans lequel s'effectue au moins une réaction chimique. Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention : - tout l'air destiné à l'appareil de séparation d'air provient du compresseur d'air dédié à la turbine à gaz ; - l'appareil peut comprendre des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air à l'appareil dans lequel s'effectue au moins une réaction chimique et/ou à la machine de détente. Il peut également comprendre des moyens pour envoyer tout le gaz enrichi en azote provenant de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion dans lequel s'effectue une réaction chimique. De préférence la chambre de combustion dans lequel s'effectue une réaction chimique reçoit uniquement les deux combustibles de pouvoir calorifique haut et faible, de l'air provenant du compresseur d'air et/ou des fluides provenant de l'appareil de séparation d'air. Dans certains cas le combustible de faible pouvoir calorifique provient d'une unité alimentée par de l'air provenant du compresseur et/ou par un fluide enrichi en oxygène ou en azote ou en argon provenant de l'appareil de séparation d'air, par exemple une unité de production métallurgique, tel qu'un haut fourneau. Selon un autre aspect de l'invention il est prévu un procédé de séparation d'air comprenant les étapes de : a) comprimer de l'air dans un compresseur d'air b) envoyer un combustible de faible pouvoir calorifique à une chambre de combustion dans laquelle s'effectue au moins une réaction chimique c) envoyer au moins un gaz de la chambre de combustion à une machine de détente caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : d) envoyer de l'air comprimé à un appareil de séparation d'air e) envoyer de l'air comprimé à la chambre de combustion, et/ou envoyer au moins un fluide enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion et/ou à la machine de détente, et envoyer un combustible de haut pouvoir calorifique à la chambre de combustion. Selon d'autres aspects facultatifs : - tout l'air destiné à l'appareil de séparation d'air provient du compresseur d'air ; un gaz enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air est envoyé à la chambre de combustion et/ou à la machine de détente ; tout le gaz enrichi en azote envoyé à la chambre de combustion provient de l'appareil de séparation d'air ; la chambre de combustion reçoit uniquement les deux combustibles de pouvoir calorifique haut et faible, de l'air provenant du compresseur d'air et/ou des fluides provenant de l'appareil de séparation d'air ; le combustible de faible pouvoir calorifique provient d'une unité alimentée par de l'air provenant du compresseur et/ou par au moins un fluide enrichi en oxygène ou en azote ou en argon de l'appareil de séparation d'air ; on envoie simultanément à la chambre de combustion les combustibles de haut et de faible pouvoirs calorifiques ; le combustible de haut pouvoir calorifique est du gaz naturel et/ou le combustible de faible pouvoir calorifique est un gaz de gueulard d'un haut fourneau, un gaz de four à coke, un gaz obtenu par gazéification de charbon ou de résidu pétrolier ou un biogaz ; le combustible de haut pouvoir calorifique a un pouvoir calorifique supérieur à celui du carburant de faible pouvoir calorifique et éventuellement supérieur à 7000kcal/Nm3 et/ou le combustible de faible pouvoir calorifique a un pouvoir calorifique inférieur à 1000 kcal/Nm3 ; le combustible de haut pouvoir calorifique a un pouvoir calorifique supérieur à 9000kcal/Nm3 et/ou le combustible de faible pouvoir calorifique a un pouvoir calorifique inférieur à 750kcal/Nm3 et supérieur à 200 kcal/Nm3 ; de 50 à 60% de l'énergie fournie par le mélange de combustibles à la chambre de combustion provient du combustible à haut pouvoir calorifique et/ou 40 à 50% de l'énergie fournie par le mélange de combustibles à la chambre de combustion provient du combustible à faible pouvoir calorifique ; - on varie les proportions des combustibles à haut et à faible pouvoirs calorifiques envoyés à la chambre de combustion ; - on augmente la proportion de combustible de faible pouvoir calorifique (19) et on réduit la proportion de combustible de haut pouvoir calorifique si la température de l'air envoyé au compresseur augmente. Avec un appareil de séparation d'air couplée à une turbine à gaz alimentée en gaz naturel, il y a un déficit de gaz chaud à l'entrée de la machine de détente. Avec un appareil de séparation d'air couplée à une turbine à gaz alimentée en gaz de haut fourneau, il y a un excédent de gaz chaud à l'entrée de la machine de détente. La solution consiste à n'alimenter la turbine que partiellement avec du gaz de haut fourneau, donc de faible pouvoir calorifique. La quantité de carburant de faible pouvoir calorifique sera réglée de façon qu'il n'y ait pas d'appoint d'air comprimé nécessaire à l'appareil de séparation d'air, ni de surplus de gaz à détendre, dû aux molécules de gaz inertes constituant le gaz à faible pouvoir calorifique. Ainsi tout l'air comprimé pour l'appareil de séparation d'air provient du compresseur de la turbine à gaz uniquement, ceci sans déséquilibrer la turbine à gaz. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui représente un appareil de séparation intégré avec une turbine à gaz. Dans la figure, 1000 Nm3/h d'air sont comprimés à entre 8 et 20 bar dans le compresseur d'air 1. Ce compresseur 1 est couplé à une machine de détente 11 et intégré avec une chambre de combustion 9 pour former une turbine à gaz. 600 Nm3/h d'air 5 sont envoyés du compresseur 1 à l'appareil de séparation d'air 3 qui est une double colonne ou une triple colonne de distillation cryogénique, par exemple avec une pompe à oxygène ; cet air constitue le seul débit d'air qui alimente l'appareil de séparation d'air. Un gaz enrichi en azote 7 (480 Nm3/h) est soutiré d'une colonne de l'appareil 3, comprimé dans un compresseur (non-illustré) et envoyé à une machine de détente 11. Aucun débit enrichi en azote provenant d'ailleurs que l'appareil de séparation d'air n'est envoyé à la machine de détente. Une partie de l'air comprimé 13 est également envoyé à la machine de détente et le reste 15 de l'air du compresseur 3 est envoyé à une unité dans lequel s'effectue un réaction chimique d'oxydation de combustibles, une chambre de combustion 9. La chambre de combustion 9 est alimentée par un mélange de 15 Nm3/h de combustible de haut pouvoir calorifique 21, par exemple le gaz naturel, et 160 Nm3/h de combustible de faible pouvoir calorifique 19, par exemple le gaz de gueulard comprimé d'un haut fourneau. Ce haut-fourneau (non-illustré) peut être alimenté en air comprimé par le compresseur 1 et/ou en gaz enrichi en oxygène 23 provenant de l'appareil de séparation d'air qui produit 120 Nm3/h de gaz enrichi en oxygène. Le carburant de haut pouvoir calorifique pourrait également être un gaz produit par gazéification de charbon ou autre résidu pétrolier. Ce peut également être du gaz de four à coke. Les gaz de combustion de la chambre 9 sont détendus avec l'air et le gaz enrichi en azote dans la machine de détente 11, ce qui permet la production d'énergie. De la vapeur pourra également être produite par les gaz basse pression d'échappement de la turbine (non représenté). En variante le gaz enrichi en azote 7 et/ou l'air 13 peut être envoyé à la chambre de combustion 9. Le combustible de faible pouvoir calorifique 19 a un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcallNm3 dans cet exemple. Sa valeur de pouvoir calorifique selon sa source peut aller de 200 à 1200 kcal/Nm3, de préférence de 400 à 1000 kcallNm3. Les proportions des combustibles envoyés à la chambre de combustion peuvent être variées afin de maintenir ou de légèrement augmenter le volume de gaz détendu dans la turbine. Par exemple en envoyant 11 Nm3/h de gaz naturel et 275 Nm3/h de gaz de gueulard comprimé à entre 8 et 20 bar à la chambre de combustion, le volume de gaz détendus dans la machine de détente passe de 1030 Nm3/h pour le cas précédent à 1130 Nm3/h. Ceci permet également de maintenir de débit turbiné en cas de variation de température d'air ambiant alimentant le compresseur d'air de la turbine à gaz. Quand la température augmente, le débit massique aspiré par le compresseur diminue, entraînant la réduction de puissance de la turbine à gaz. En augmentant la proportion de combustible à faible pouvoir calorifique, tel que le gaz de gueulard, la production de la turbine à gaz peut être maintenu ou même augmenté au besoin, ce qui permet de maintenir la production d'énergie en été par exemple, car dans une turbine à gaz on perd environ 1% d'énergie utile par degré de température d'air à l'entrée supplémentaire. Revendications 1. Appareil intégré de séparation d'air comprenant un compresseur d'air (1), une chambre de combustion (9), dans laquelle s'effectue au moins une réaction chimique en produisant au moins un gaz très chaud, une machine de détente (11) du gaz produit par la réaction chimique mélangé à d'autres gaz et des moyens pour envoyer un combustible de faible pouvoir calorifique (19) à la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour envoyer de l'air comprimé (15) du compresseur d'air à l'entrée ou la sortie de la chambre de combustion dans lequel s'effectue au moins une réaction chimique, un appareil de séparation d'air (3), des moyens pour envoyer de l'air (5) du compresseur d'air à l'appareil de séparation d'air, des moyens (7) pour envoyer au moins un fluide enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air à l'entrée ou la sortie de la chambre de combustion et des moyens pour envoyer un combustible de haut pouvoir calorifique (21) à la chambre de combustion. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel tout l'air (5) destiné à l'appareil de séparation d'air provient du compresseur d'air (1). 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 comprenant des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote (7) de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion et/ou à la machine de détente. 4. Appareil selon la revendication 3 dans lequel tout le gaz enrichi en azote envoyé à la chambre de combustion provient de l'appareil de séparation d'air. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre de combustion (9) reçoit uniquement les deux combustibles de pouvoir calorifique haut et faible, de l'air provenant du compresseur d'air et/ou des fluides provenant de l'appareil de séparation d'air. 6. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le combustible de faible pouvoir calorifique provient d'une unité alimentée par de l'air provenant du compresseur et/ou par un fluide enrichi en oxygène ou en azote ou en argon provenant de l'appareil de séparation d'air. 7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel l'unité dont provient le combustible de faible pouvoir calorifique est une unité de production métallurgique. 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel l'appareil de production métallurgique est un haut fourneau. 9. Procédé de séparation d'air comprenant les étapes de : a) comprimer de l'air dans un compresseur d'air (1) ; b) envoyer un combustible de faible pouvoir calorifique (19) à une chambre de combustion (9) ; c) envoyer au moins un gaz de la chambre de combustion à une machine de détente (11) caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : d) envoyer de l'air comprimé (5) à un appareil de séparation d'air ; e) envoyer de l'air comprimé à la chambre de combustion, et/ou envoyer au moins un fluide enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion et/ou à la machine de détente ; et f) envoyer un combustible de haut pouvoir calorifique (21) la chambre de combustion. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel tout l'air (5) destiné à l'appareil de séparation d'air (3) provient du compresseur d'air. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel un gaz enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air est envoyé à la chambre de combustion (9) et/ou à la machine de détente (11). 12. Procédé selon la revendication 11 dans lequel tout le gaz enrichi en azote envoyé à la chambre de combustion (9) provient de l'appareil de séparation d'air (3). 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12 dans lequel la chambre de combustion (9) reçoit uniquement les deux combustibles de pouvoir calorifique haut et faible, de l'air provenant du compresseur d'air et/ou des fluides provenant de l'appareil de séparation d'air. 14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13 dans lequel le combustible de faible pouvoir calorifique (19) provient d'une unité alimentée par de l'air provenant du compresseur et/ou par un fluide (23) enrichi en oxygène ou en azote ou en argon de l'appareil de séparation d'air (3). 15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14 dans lequel on envoie simultanément à la chambre de combustion les combustibles (21,19) de haut et de faible pouvoirs calorifiques. 16. Procédé selon l'une des revendications 9 à 15 dans lequel le combustible de haut pouvoir calorifique (21) est du gaz naturel et/ou le combustible de faible pouvoir calorifique (19) est un gaz de gueulard d'un haut fourneau, un gaz de four à coke, un gaz obtenu par gazéification de charbon, de résidu pétrolier ou un biogaz. 17. Procédé selon l'une des revendications 9 à 16 dans lequel le combustible de haut pouvoir calorifique (21) a un pouvoir calorifique supérieur à celui du carburant de faible pouvoir calorifique et éventuellement supérieur à 7000kcallNm3 et/ou le combustible de faible pouvoir calorifique (19) a un pouvoir calorifique inférieur à 1000 kcallNm3. 18. Procédé selon la revendication 17 dans lequel le combustible de haut pouvoir calorifique (21) a un pouvoir calorifique supérieur à 9000kcal/Nm3 et/ou le combustible de faible pouvoir calorique (19) a un pouvoir calorifique inférieur à 750kcal/Nm3 et supérieur à 200 kcal/Nm3. 19. Procédé selon la revendication 9 à 18 dans lequel 50 à 60% de l'énergie fournie par le mélange de combustibles à la chambre de combustion (9) provient du combustibles à haut pouvoir calorifique et 40 à 50% de l'énergie fournie par le mélange de combustibles à la chambre de combustion (9) provient du combustible à faible pouvoir calorifique. 20. Procédé selon l'une des revendications 9 à 19 dans lequel on varie les proportions des combustibles à haut et à faible pouvoirs calorifiques envoyés à la chambre de combustion (9). 21. Procédé selon la revendication 20 dans lequel on augmente la proportion de combustible de faible pouvoir calorifique (19) et on réduit la proportion de combustible de haut pouvoir calorifique si la température de l'air envoyé au compresseur (1) augmente.