Brevet FR2938320A1 — publié le 20100514

La présente invention est relative à une installation intégrée de séparation d'air et de chauffage d'eau destinée à la chaudière. Il est connu de US-A- 4461154 d'utiliser un compresseur adiabatique pour io comprimer l'air, de récupérer la chaleur générée à la sortie du compresseur pour chauffer de l'eau qui alimente une chaudière, afin d'améliorer l'efficacité globale de l'appareil de séparation d'air alimenté par l'air comprimé et de la chaudière (pour réduire la consommation de carburant de la chaudière). Il est conventionnel d'extraire de la vapeur d'une turbine et d'utiliser cette 15 vapeur pour préchauffer l'eau destinée à une chaudière. La présente invention permet d'optimiser la récupération de chaleur d'un compresseur d'air en préchauffant de l'eau alimentaire de chaudière. Couramment l'eau alimentant une chaudière est envoyée à un dégazeur pour séparer l'oxygène qui y est dissous, typiquement pour réduire sa teneur à 20 moins de 10 ppb par stripage direct de l'eau par de la vapeur. Pour être efficace, cette dégazéification doit avoir lieu à une pression en dessous de 20 bar, et préférentiellement en dessous de 10 bar. Quand on utilise un compresseur pour comprimer tout l'air destiné à un appareil cryogénique de séparation d'air, l'air doit être produit à typiquement 6 bar 25 abs et donc à une température de 230°C à 300°C pour un compresseur adiabatique En théorie on pourrait donc chauffer l'eau destinée à la chaudière à entre 220°C et 295°C (en tenant compte du fait qu'une différence de température inférieure à 5°C impliquerait des coûts supplémentaires significatifs). 30 Deux problèmes doivent être résolus. - Premièrement on doit dégazer l'eau pour enlever l'oxygène dissous, provenant principalement de l'eau rajoutée pour compenser les pertes (déconcentration, extraction de vapeur, fuite). La pression doit donc être maintenue à une pression inférieure à 20 bar. La température d'ébullition de i la vapeur à cette pression étant de -210°C , on ne peut chauffer l'eau de chaudière à la température la plus optimale en terme d'efficacité (il faut de plus garder une marge de typiquement 10°C entre la température de l'eau à dégazer et la température du dégazeur pour permettre un bon fonctionnement de ce dernier). - Deuxièmement, le débit d'eau destiné à la chaudière peut être trop grand comparé à l'air pour permettre un échange optimal de chaleur efficace. Par exemple, si on considère un compresseur d'air entraîné par une turbine à vapeur, le rapport de débits entre l'eau destinée à la chaudière (et venant du io condenseur de la turbine) et l'air est 380 kg d'eau pour 1000 Nm3/h d'air. L'air sort du compresseur à 273°C, l'eau sort du condenseur à 45°C et la différence de température minimale dans l'échangeur où chauffe l'eau contre l'air est 10°C. Dans ce cas, l'eau ne peut être chauffée qu'à 224°C alors que l'on souhaitait obtenir une température d'au moins 250°C. 15 Selon l'invention, on utilise une autre source de chaleur pour complémenter la chaleur reçue du compresseur d'air, afin d'augmenter la température de l'eau destinée à la chaudière. Selon un objet de l'invention, il est prévu une installation intégrée comprenant un compresseur d'air, un premier échangeur de chaleur, des moyens 20 pour envoyer de l'eau au premier échangeur de chaleur et ensuite à une chaudière, des moyens pour envoyer l'air comprimé du compresseur au premier échangeur de chaleur et un appareil de séparation d'air alimenté par de l'air comprimé dans le compresseur caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de chauffage pour chauffer l'eau en aval du premier échangeur, un deuxième échangeur, des moyens 25 pour envoyer de l'eau du premier échangeur aux moyens de chauffage, des moyens de chauffage au deuxième échangeur et du deuxième échangeur à la chaudière et des moyens pour envoyer de l'air du compresseur au deuxième échangeur en amont du premier échangeur et du deuxième échangeur au premier échangeur. 30 Eventuellement : - les moyens de chauffage sont constitués par un appareil de chauffage par contact direct. - l'appareil de chauffage est alimenté par de la vapeur provenant de la chaudière. - l'appareil de chauffage sert également à séparer des gaz dissous dans l'eau. - l'installation comprend des moyens pour pressuriser l'eau en aval du premier échangeur et en amont du deuxième échangeur. - l'installation comprend un appareil d'épuration d'air en amont de l' appareil de séparation d'air, éventuellement un vaporiseur de secours d'un liquide produit par io l'appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du premier échangeur à l'appareil d'épuration d'air, des moyens pour envoyer de l'air épuré dans l'appareil d'épuration à l'appareil de séparation d'air et des moyens pour envoyer la vapeur d'eau de la chaudière à un échangeur de chauffage de gaz de régénération destiné à l'appareil d'épuration et/ou au vaporiseur de secours et/ou à 15 un système de refroidissement par absorption de l'appareil de séparation. - l'installation comprend un appareil d'épuration d'air, un appareil de séparation d'air, éventuellement un vaporiseur de secours d'un liquide produit par l'appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du premier échangeur à l'appareil d'épuration d'air, des moyens pour envoyer de l'air épuré dans l'appareil 20 d'épuration à l'appareil de séparation d'air et des moyens pour envoyer la vapeur d'eau provenant des moyens de chauffage à un échangeur de chauffage de gaz de régénération destiné à l'appareil d'épuration et/ou au vaporiseur de secours et/ou à un système de refroidissement par absorption de l'appareil de séparation. - l'installation comprend un appareil d'épuration d'air, un appareil de séparation 25 d'air, éventuellement un vaporiseur de secours d'un liquide produit par l'appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du premier échangeur à l'appareil d'épuration d'air, des moyens pour envoyer de l'air épuré dans l'appareil d'épuration à l'appareil de séparation d'air et des moyens pour envoyer de l'eau provenant du premier échangeur à un échangeur de chauffage de gaz de 30 régénération destiné à l'appareil d'épuration et/ou au vaporiseur de secours et/ou à un système de refroidissement par absorption de l'appareil de séparation. - l'installation comprend des moyens pour envoyer de la vapeur d'eau de la chaudière à une turbine à vapeur. - la turbine à vapeur entraîne le compresseur d'air. - l'installation comprend des moyens pour condenser la vapeur provenant de la turbine et pour envoyer au moins une partie de l'eau ainsi formée au premier échangeur, une partie étant éventuellement envoyée à une centrale thermique. - l'installation comprend des moyens pour envoyer de la vapeur de la turbine à un échangeur de chauffage de gaz de régénération destiné à un appareil d'épuration io de l'appareil de séparation d'air. - le compresseur est un compresseur adiabatique. - le compresseur comprend au moins un moyen de refroidissement en aval d'un étage du compresseur. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de chauffage 15 d'eau destiné à une chaudière dans laquelle on chauffe de l'eau dans un premier échangeur de chaleur par échange de chaleur avec de l'air provenant d'un compresseur, puis on envoie l'air refroidi dans ce premier échangeur à un appareil de séparation d'air, caractérisé en ce qu'on réchauffe l'eau provenant du premier échangeur et on l'envoie à un deuxième échangeur, de préférence sans l'avoir 20 réchauffée, où elle échange de la chaleur avec de l'air provenant du compresseur, on envoie l'air refroidi dans le deuxième échangeur au premier échangeur et on envoie l'eau chauffée dans le deuxième échangeur dans la chaudière. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. Les Figures 1 et 4 illustrent des installations selon l'invention et les Figures 2 et 3 sont 25 des diagrammes Q-T d'un échangeur de l'installation. Dans la Figure 1, de l'eau 27 est extraite d'un condenseur 23 à 45°C et pompée à 15 bar par une pompe 25. Cette eau pompée est chauffée par échange indirect dans un premier échangeur 29 jusqu'à une première température d'au moins 100°C, de préférence au moins 130°C, voire au moins 150°C, même à au 30 moins 170°C, par exemple dans ce cas 175°C. Dans ce premier échangeur l'eau récupère de la chaleur de l'air 35 provenant d'un compresseur d'air 31. Le compresseur peut être adiabatique ou avoir des moyens de refroidissement entre les étages. L'eau chaude est envoyée à un dégazeur 3 qui reçoit de la vapeur d'eau 5 à 14 bars provenant d'une chaudière 1. L'eau est ainsi chauffée de sa première température jusqu'à 196°C et de l'oxygène dissous est enlevé par stripage. L'eau 7 à 196°C est pompée par la pompe 9 à 150 bars formant le débit 11 et envoyé à un deuxième échangeur 13 où il échange de la chaleur avec de l'air 33 provenant du compresseur d'air 31. Après passage dans les deux échangeurs, l'air 37 est envoyé à un appareil de séparation d'air, à illustrer plus loin dans la Figure 4. io Le débit d'eau à haute pression 15 est envoyé à la chaudière 1. La vapeur d'eau 19 provenant de la chaudière 1 est envoyée à une turbine à vapeur 17 qui entraîne le compresseur d'air 31. La vapeur 21 est ensuite envoyée au condenseur 23. La Figure 2 illustre l'échange de chaleur dans les deux échangeurs 13,29. 15 Cette configuration permet un bon usage de la chaleur provenant du compresseur et une dégazéification efficace à moyenne pression. Afin d'optimiser le diagramme d'échange (et de rendre les lignes du graphique les plus parallèles possible) pour obtenir celui de la Figure 3, il est recommandé d'envoyer une partie de l'eau 27 condensée après la turbine à vapeur 20 17 de l'appareil de séparation d'air vers le système de préchauffage de la centrale thermique (� power plant � en anglais), et non vers le préchauffage par échange avec de l'air chaud. La Figure 4 illustre une version de la Figure 1 montrant en plus de détail l'appareil de séparation d'air. L'air 37 provenant du compresseur 31 est envoyé à 25 un appareil d'épuration 41 et ensuite à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique 49. Un produit liquide de l'appareil de séparation 49 est parfois vaporisé dans un vaporiseur de secours 51. L'appareil d'épuration est régénéré par un débit d'azote 43 provenant de l'appareil de séparation d'air 49. Ce débit d'azote peut être préchauffé par de la 30 vapeur d'eau provenant de la chaudière 1 et/ou par de la vapeur d'eau 55 provenant du dégazeur 3 et/ou des purges de la chaudière. De préférence la vapeur d'eau provenant de la chaudière 1 est une fraction du débit 5 destiné au dégazeur 3. Additionnellement ou alternativement, une partie 57 de l'eau chauffée dans le premier échangeur 29 à environ 150°C peut chauffer l'azote de régénération 43. Cette eau peut être soutirée de manière continue et stockée dans un stockage isolé thermiquement (non illustré) et envoyé ponctuellement pour chauffer l'azote de régénération. De la vapeur d'eau 53 provenant du dégazeur 3 peut servir à vaporiser un liquide cryogénique de l'appareil de séparation d'air dans un vaporiseur de secours io 51. Une partie de la vapeur d'eau 5 et/ou de l'eau 57 et/ou de la vapeur d'eau 45 et/ou de la vapeur d'eau 55 peut également servir au chauffage d'un groupe frigorifique à absorption de l'appareil de séparation d'air 49. 20 REVENDICATIONS:1. Installation intégrée comprenant un compresseur d'air (31), un premier échangeur de chaleur (29), des moyens pour envoyer de l'eau au premier échangeur de chaleur et ensuite à une chaudière (1), des moyens pour envoyer l'air comprimé du compresseur au premier échangeur de chaleur et un appareil de séparation d'air (49) alimenté par de l'air comprimé dans le compresseur, io caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de chauffage (3) pour chauffer l'eau en aval du premier échangeur, un deuxième échangeur (13), des moyens pour envoyer de l'eau du premier échangeur aux moyens de chauffage, des moyens de chauffage au deuxième échangeur et du deuxième échangeur à la chaudière et des moyens pour envoyer de l'air du compresseur au deuxième 15 échangeur en amont du premier échangeur et du deuxième échangeur au premier échangeur. 2. Installation selon la revendication 1 dans laquelle les moyens de chauffage sont constitués par un appareil de chauffage par contact direct (3). 3. Installation selon la revendication 2 dans laquelle l'appareil de chauffage (3) est alimenté par de la vapeur provenant de la chaudière (1). 4. Installation selon l'une des revendications 2 et 3 dans laquelle l'appareil de 25 chauffage (3) sert également à séparer des gaz dissous dans l'eau. 5. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens (9) pour pressuriser l'eau en aval du premier échangeur et en amont du deuxième échangeur. 30 6. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant un appareil d'épuration d'air (41) en amont de l'appareil de séparation d'air (49), éventuellement un vaporiseur de secours (51) d'un liquide produit par l'appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du premier échangeur (29) à l'appareil d'épuration d'air, des moyens pour envoyer de l'air épuré dans l'appareil d'épuration à l'appareil de séparation d'air et des moyens pour envoyer la vapeur d'eau de la chaudière à un échangeur (47) de chauffage de gaz de régénération destiné à l'appareil d'épuration et/ou au vaporiseur de secours et/ou à un système de refroidissement par absorption de l'appareil de séparation. i0 7. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant un appareil d'épuration d'air (41), un appareil de séparation d'air (49), éventuellement un vaporiseur de secours (51) d'un liquide produit par l'appareil de séparation d'air, des moyens pour envoyer de l'air du premier échangeur à l'appareil d'épuration 15 d'air, des moyens pour envoyer de l'air épuré dans l'appareil d'épuration à l'appareil de séparation d'air et des moyens pour envoyer la vapeur d'eau provenant des moyens de chauffage à un échangeur (47) de chauffage de gaz de régénération destiné à l'appareil d'épuration et/ou au vaporiseur de secours et/ou à un système de refroidissement par absorption de l'appareil de séparation. 20 8. Installation selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour envoyer de la vapeur d'eau de la chaudière à une turbine à vapeur (17), la turbine à vapeur entraînant le compresseur d'air (31) et des moyens (23) pour condenser la vapeur provenant de la turbine et pour envoyer au moins une partie 25 de l'eau ainsi formée au premier échangeur (29). 9. Installation selon la revendication 8, comprenant des moyens pour envoyer de la vapeur de la turbine (17) à un échangeur (47) de chauffage de gaz de régénération destiné à un appareil d'épuration de l'appareil de séparation d'air. 30 10. Procédé de chauffage d'eau destiné à une chaudière (1) dans laquelle on chauffe de l'eau dans un premier échangeur de chaleur (29) par échange de chaleur avec de l'air provenant d'un compresseur (31), puis on envoie l'air refroidi dans ce premier échangeur à un appareil de séparation d'air (49) caractérisé en ce s que l'on réchauffe l'eau provenant du premier échangeur et on l'envoie à un deuxième échangeur (13) où elle échange de la chaleur avec de l'air provenant du compresseur, on envoie l'air refroidi dans le deuxième échangeur au premier échangeur et on envoie l'eau chauffée dans le deuxième échangeur dans la chaudière. 10 15 20 25 30