Brevet FR2929696A1 — publié le 20091009

La présente invention concerne l'intégration d'un appareil de séparation d'air et d'un cycle à réchauffage de vapeur. Il est connu d'utiliser dans une centrale électrique un cycle de vapeur comportant une étape de réchauffage de la vapeur afin d'améliorer le rendement énergétique de l'installation, appelé le cycle de Rankine avec réchauffage. Toutes les pressions mentionnées sont des pressions absolues. Un surpresseur d'un appareil de séparation d'air est un comprime qui comprime de l'air déjà comprimé à une pression d'au moins 5 bars. io Comme on voit à la Figure 1, de la vapeur d'eau 7 entre dans la turbine haute pression Ti à 130 bar et 540°C, puis est détendue à 30 bar et environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où elle est réchauffée jusqu'à environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R 15 typiquement 150 mbar, puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire 1 provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion. Les fumées 3 20 sont rejetées de la chaudière. Pour des raisons de contrainte thermique, la turbine haute pression Ti et la turbine basse pression T2 ne peuvent être combinées en un seul corps. Typiquement : - l'alternateur G muni d'un arbre à double extrémité est entraîné par 25 les deux turbines - la turbine haute pression Ti tourne à une vitesse supérieure à la turbine basse pression T2 Un cycle de vapeur à réchauffage est un cycle dans lequel de la vapeur d'eau à une haute pression HP (typiquement plus de 50 bar) et surchauffée 30 (typiquement à une température d'environ 400 à 500°C) est détendue dans une première turbine à une première pression IP (typiquement moins de 50 bar) puis est réchauffé à cette pression jusqu'à une température proche de la température de la vapeur HP avant la détente (typiquement la différence de température entre ces deux vapeurs est inférieure à 100°C), et enfin détendu 2 2929696 dans une deuxième turbine à une pression inférieure à la pression atmospherique (typiquement équivalente à 0.2 bar abs.) Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de génération de travail à cycle de vapeur d'eau dans lequel : 5 a) on détend la vapeur d'eau dans une première turbine à partir d'une haute pression, généralement au-dessus de 50 bars, et une température élevée jusqu'à une pression intermédiaire b) on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression io c) on détend dans une deuxième turbine de la vapeur d'eau réchauffée à la pression intermédiaire jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température d) on condense au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine pour former un débit condensé 15 e) on pressurise, éventuellement en deux étapes, au moins une partie du débit condensé pour former un débit pressurisé f) on réchauffe au moins une partie du débit pressurisé pour former un débit réchauffé g) on envoie au moins une partie du débit réchauffé à la première 20 turbine h) on comprime un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur couplé à au moins une des première et deuxième turbines. Eventuellement : 25 - au moins une partie du travail généré par au moins une des première et deuxième turbines sert à générer de l'électricité ; - la première turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ; 30 - la deuxième turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ; - la première et/ou la deuxième turbine entraîne(nt) un générateur ; 3 2929696 - la première turbine et la deuxième turbine sont sur une même ligne d'arbre et entraînent un compresseur d'air d'un appareil de séparation d'air ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation et éventuellement aussi un générateur ; 5 - une ou plusieurs turbines auxiliaires sont installées en parallèle de la première turbine ou de la deuxième turbine, la ou les turbines auxiliaires entraînant possiblement un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible et/ou un compresseur de gaz produit par l'unité de séparation d'air ; io - l'étape b) et/ou f) a (ont) lieu au moins partiellement dans au moins une chaudière ; - au moins une chaudière est alimentée par un gaz résiduaire d'une turbine à gaz, la turbine à gaz étant éventuellement alimenté par un gaz provenant de l'appareil de séparation d'air et éventuellement alimenté par un 15 gaz provenant d'un procédé sidérurgique ; - le procédé sidérurgique est un procédé de type � smelting reduction � tel qu'un COREX, un FINEX ou un procédé dérivé d'un de ces deux procédés ; - au moins une chaudière est chauffé par combustion d'un combustible, éventuellement provenant d'un procédé sidérurgique, en présence d'un gaz 20 contenant de l'oxygène ; - la première et la deuxième turbine ne sont pas sur la même ligne d'arbre ; - au moins une des première et deuxième turbines entraîne un premier compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un premier 25 appareil de séparation d'air et un deuxième compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un deuxième appareil de séparation d'air ; - au moins une des première et deuxième turbines est sur le même arbre qu'une troisième turbine faisant partie d'un cycle de vapeur indépendante ; - le cycle de vapeur indépendante est un cycle de Rankine avec 30 réchauffage ; - on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression dans une première chaudière, une partie de la vapeur destinée à la première turbine provient d'une deuxième chaudière et de 4 2929696 la vapeur détendue à une basse pression dans la première turbine est renvoyée vers la deuxième chaudière après refroidissement et pompage. Selon un autre objet, l'invention comprend un cycle à vapeur d'eau comprenant une première et une deuxième turbine, des moyens pour envoyer 5 un débit de vapeur d'eau à haute pression dans la première turbine, des moyens pour réchauffer le débit détendu dans la première turbine, ces moyens comprenant éventuellement une chaudière, des moyens pour envoyer la vapeur d'eau réchauffée à la deuxième turbine pour le détendre jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température, des io moyens pour et des moyens pour comprimer un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur couplé à au moins une des première et deuxième turbines. Eventuellement, le cycle peut comprendre : - un générateur d'électricité couplé à au moins une des première et 15 deuxième turbines ; - la première turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ; - la deuxième turbine entraîne un compresseur principal d'un appareil de 20 séparation d'air et/ou un surpresseur d'air d'un appareil de séparation d'air et/ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation d'air ; - la première turbine et la deuxième turbine sont sur une même ligne d'arbre et entraînent un compresseur d'air d'un appareil de séparation d'air ou un compresseur de produit d'un appareil de séparation et éventuellement aussi 25 un générateur ; - les moyens pour réchauffer le débit détendu dans la première turbine comprennent au moins une chaudière ; - au moins une chaudière est alimentée par un gaz résiduaire d'une turbine à gaz, la turbine à gaz étant éventuellement alimenté par un gaz 30 provenant de l'appareil de séparation d'air ; - au moins une chaudière est chauffée par combustion d'un combustible en présence d'un gaz contenant de l'oxygène ; - la première et la deuxième turbine ne sont pas sur la même ligne d'arbre ; 5 2929696 - au moins une des première et deuxième turbines entraîne un premier compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un premier appareil de séparation d'air et un deuxième compresseur qui comprime un fluide destiné à ou provenant d'un deuxième appareil de séparation d'air ; 5 - au moins une des première et deuxième turbines est sur le même arbre qu'au moins une troisième turbine faisant partie d'un cycle de vapeur indépendante ; - le cycle de vapeur indépendante est un cycle de Rankine avec réchauffage ; io - le cycle comprend une première chaudière pour réchauffer la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression, une deuxième chaudière, des moyens pour envoyer de la vapeur de la deuxième chaudière à la première turbine, des moyens pour refroidir de la vapeur détendue à une basse pression dans la première turbine, des moyens pour 15 pomper la vapeur condensée et des moyens pour renvoyer la vapeur condensée à la deuxième chaudière. Selon l'invention, on utilise un cycle de vapeur à réchauffage tel que décrit ci-dessus pour entraînement mécanique d'au moins un compresseur d'un appareil de séparation d'air. 20 L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures 2 à 9 qui illustrent des cycles intégrés selon l'invention. Dans la Figure 2, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est 25 détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette 30 pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé-sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire 1 provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une 6 2929696 post-combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées 3 sont rejetées de la chaudière. Les deux turbines T1,T2 sont fixées à un arbre à double extrémité qui entraîne le générateur G et le compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air 5 C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars. Alternativement ou additionnellement, un surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air peut être entraîné par les deux turbines T1,T2 et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. Dans les figures qui suivent, les débits 1,3 des figures 1 et 2 ne figurent io pas mais sont néanmoins présents. Note : Dans une réalisation pratique, la compression des condensats peut se faire en 2 étapes : Une première étape où les condensats sont pompés jusqu'à une pression d'environ 5 bar, puis partiellement dé-sous refroidis, puis désaérés (élimination de l'air dissous) par injection de vapeur, et enfin re- ts pompés jusque la pression d'admission de la turbine Haute Pression (û130 bar). Dans la Figure 3, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est 20 détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette 25 pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post- 30 combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle.. Les fumées sont rejetées de la chaudière. La première turbine Ti est couplée à un générateur G et la deuxième turbine T2 est fixées à un arbre qui entraîne le compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 7 2929696 bars. Alternativement ou additionnellement, un surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air peut être entraîné par la deuxième turbine T2 et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. Alternativement ou additionnellement un générateur G est entraîné par la turbine T2. Avec cette 5 disposition, on peut faire la maintenance des machines de façon indépendante. Additionnellement une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installée en parallèle de la turbine T2 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T2. Cette turbine T3 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz). io Dans la Figure 4, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne 15 alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la 20 chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont rejetées de la chaudière. 25 La première turbine Ti est couplée au compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement à un générateur G. Alternativement ou additionnellement, un surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air peut être entraîné par la première turbine Ti et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. La 30 deuxième turbine T2 entraîne un générateur G. Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installée en parallèle de la turbine Ti et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine Ti. Cette turbine Ti peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz). Dans la Figure 5, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats io 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont 15 rejetées de la chaudière. La première turbine Ti est couplée au surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air et produit un débit d'air 15 à entre 12 et 40 bars. Elle est éventuellement couplée aussi à un générateur G. La deuxième turbine T2 entraîne au compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un 20 débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement un générateur G. Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installé en parallèle de la turbine Ti et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine Ti. Cette turbine Ti peut entraîner un générateur 25 et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz). Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T4 peut être installé en parallèle de la turbine T2 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T2. Cette turbine T4 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz). 30 Dans la Figure 6, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne 8 9 2929696 alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R, cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 5 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la chaudière B où ils sont dé sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont io rejetées de la chaudière. La première turbine Ti est couplée au compresseur 13 d'un appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement à un générateur G. Le surpresseur d'air BC d'un appareil de séparation d'air est entraîné par la deuxième turbine T2 et produit un débit d'air 15 15 à entre 12 et 40 bars. La deuxième turbine T2 entraîne éventuellement un générateur G. Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T3 peut être installée en parallèle de la turbine Ti et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine Ti. Cette turbine Ti peut entraîner un générateur 20 et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz). Additionnellement, une (ou plusieurs) turbine auxiliaire T4 peut être installée en parallèle de la turbine T2 et détendre la vapeur en excès non consommé par la turbine T2. Cette turbine T4 peut entraîner un générateur et/ou un compresseur de gaz combustible (qui alimente une turbine à gaz). 25 Dans la Figure 7, on retrouve le cycle de Rankine avec réchauffage où de la vapeur d'eau est détendue à partir d'une pression d'au moins 50 bars, par exemple à 130 bar, et une température élevée, par exemple 540°C, puis est détendue à une pression intermédiaire, par exemple 30 bar et une température intermédiaire, par exemple environ 300°C formant le débit 9. Le débit 9 retourne 30 alors dans une chaudière B où il est réchauffé jusqu'à une température voisine du débit 7, par exemple environ 540°C avant d'être envoyée vers la turbine basse pression T2 où il est détendu jusqu'à la pression du condenseur R , cette pression étant subatmosphérique, typiquement 150 mbar. Puis les condensats 11 sont pompés par la pompe P et renvoyés en tant que débit 5 vers la 2929696 chaudière B où ils sont dé-sous-refroidis jusqu'à leur température d'ébullition, puis vaporisés, et enfin surchauffés jusqu'à 540°C par échange de chaleur avec un débit résiduaire provenant d'une turbine à gaz et éventuellement d'une post-combustion ou du brûleur d'une chaudière conventionnelle. Les fumées sont 5 rejetées de la chaudière. La première turbine Ti est couplée au compresseur d'un premier appareil de séparation d'air C produisant un débit d'air 13 à une pression entre 5 et 12 bars et éventuellement à un générateur G. La deuxième turbine Ti est couplée au compresseur C' d'un deuxième io appareil de séparation d'air, produisant un débit d'air 13' à une pression entre 5 et 12 bars, et éventuellement à un générateur G. La Figure 8 illustre un cycle où deux chaudières B,B' sont intégrées. La Figure 9 illustré un cycle dans lequel deux chaudières B1,B2 sont utilisées. Dans ce cas de la vapeur haute pression 101 provenant d'une première chaudière B1 est mélangé avec de la vapeur haute pression 107 provenant d'une deuxième chaudière B2 pour former un débit 109. Ce débit commun 109 est détendu dans une turbine Ti. Un débit de vapeur 103 est soutiré en intermédiaire de la turbine Ti et un débit 105 détendu dans toute la turbine Ti est refroidi, pompé et recyclé dans la deuxième chaudière B2. Le débit 103 est renvoyé à la première chaudière B1 où il se réchauffe. Le débit réchauffé 9 est détendu dans une turbine T2 qui entraîne au moins un compresseur C' d'un appareil de séparation d'air. La vapeur détendu est recyclée à la première chaudière après refroidissement R' et pompage P'. 11 REVENDICATIONS1. Procédé de génération de travail à cycle de vapeur d'eau dans lequel : a) on détend la vapeur d'eau dans une première turbine (Tl ,T1') à partir d'une haute pression, généralement au-dessus de 50 bars, et une température élevée jusqu'à une pression intermédiaire ; b) on réchauffe la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression ; c) on détend dans une deuxième turbine (T2,T2') de la vapeur d'eau io réchauffée à la pression intermédiaire jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température ; d) on condense au moins une partie du débit détendu dans la deuxième turbine pour former un débit condensé ; e) on pressurise, éventuellement en deux étapes, au moins une partie du 15 débit condensé pour former un débit pressurisé ; f) on réchauffe au moins une partie du débit pressurisé pour former un débit réchauffé ; g) on envoie au moins une partie du débit réchauffé à la première turbine ; 20 h) on comprime un fluide destine à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur (C,BC) couplé à au moins une des première et deuxième turbines. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on réchauffe la vapeur d'eau 25 à pression intermédiaire sans modifier substantiellement sa pression dans une première chaudière (B1), une partie (107) de la vapeur destiné à la première turbine (Ti) provient d'une deuxième chaudière (B2) et de la vapeur (105) détendue à une basse pression dans la première turbine est renvoyée vers la deuxième chaudière après refroidissement et pompage. 30 3. Cycle à vapeur d'eau comprenant une première et une deuxième turbine(T1,T2,T1',T2'), des moyens pour envoyer un débit de vapeur d'eau à haute pression dans la première turbine (T1,T1'), des moyens pour réchauffer le débit détendu dans la première turbine, ces moyens 12 2929696 comprenant éventuellement une chaudière (B), des moyens pour envoyer la vapeur d'eau réchauffée à la deuxième turbine (T2,T2') pour le détendre jusqu'à une basse pression, typiquement subatmosphérique, et une basse température, et des moyens (C,C',BC) pour comprimer un fluide destine s à ou provenant d'un appareil de séparation d'air dans au moins un compresseur couplé à au moins une des première et deuxième turbines. 4. Cycle selon la revendication 3 comprenant une première chaudière (B1) pour réchauffer la vapeur d'eau à pression intermédiaire sans modifier io substantiellement sa pression, une deuxième chaudière (B2), des moyens pour envoyer de la vapeur de la deuxième chaudière à la première turbine (Ti), des moyens (R') pour refroidir de la vapeur détendue à une basse pression dans la première turbine, des moyens (P') pour pomper la vapeur condensée et des moyens pour renvoyer la vapeur condensée à la 15 deuxième chaudière.