Brevet FR2956731A1 — publié le 20110826

i La présente invention est relative à un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans une installation comprenant au moins un appareil de séparation d'air, de préférence au moins deux appareils de séparation d'air. Une des technologies de capture de CO2 pour les centrales de production d'énergie sur base charbon, l'oxycombustion, nécessitera de très grande quantités d'oxygène (de 10000 MTPD à 20000 MTPD suivant les sites) produite par une série d'appareils de séparation d'air (ASU) associée à des unité d'épuration de dioxyde de carbone (CPU) pour purifier le CO2 à la sortie de ou des chaudières avant son transport et séquestration. Ces unités de io séparation d'air sont de très grosses consommatrices d'énergie électrique, ce qui pénalise, si elles consomment toute cette énergie en continu, la mise sur réseau de la puissance produite par la centrale aux heures où l'énergie est valorisée au plus haut. Pour mettre sur le réseau ponctuellement, plus d'énergie, sont connus 15 des systèmes de bascule qui permettent de limiter la puissance consommée par celles-ci pendant les heures de pointes. Il est aussi envisageable d'arrêter et de redémarrer les ASUs pour économiser de l'énergie, mais le temps de redémarrage n'est pas forcément compatible avec plusieurs opérations de ce type chaque jour. 20 WO-A-07/129152 décrit un procédé de séparation d'air permettant la production constante d'oxygène avec des débits variables d'alimentation d'air grâce à un système de bascule. WO-A-09/024672 décrit un procédé utilisant une série d'appareils de séparation d'air où, en régime normal, tous les compresseurs d'air opèrent à 25 une charge réduite et lorsque l'un de ces compresseurs d'air s'arrête, les autres compresseurs restants sont poussés à leur maximum de façon à compenser, soit totalement, soit partiellement le déficit d'air haute pression. ENERGIE SPECIFIQUE MARCHE NOMINALE 30 US-A-5548975 décrit un appareil de séparation d'air avec une production nominale qui peut produire une production accrue en modifiant le fonctionnement de divers éléments de l'appareil. Un compresseur d'air comprime, de préférence, l'air à partir d'une pression atmosphérique. La boîte froide d'un appareil de séparation d'air constitue dans ce contexte le contenu d'une enceinte thermique contenant au moins une colonne, au moins un échangeur, et d'autres éléments tels que des turbines. Une partie des centrales, spécialement celles équipées de moyens de capture de dioxyde de carbone, est prévue pour fonctionner en base, c'est-à-dire d'une façon stable et continue sur tout ou presque toute l'année, et ce généralement proche de leur nominal, afin de mettre sur le réseau d'une façon continue de l'énergie électrique, d'autres centrales sont prévues pour marcher d'une façon plus erratique et répondre aux besoins à partir d'un certain niveau io de consommation d'énergie électrique, voire d'autres encore qui sont prévues pour répondre uniquement aux besoins de pointe (quelques centaines, voire un peu plus d'un millier d'heures par an). Selon l'invention, il est prévu un procédé de distillation d'air cryogénique dans une installation comprenant N appareils de séparation d'air (N>_ 1), chaque 15 appareil comprenant au moins un compresseur d'air, éventuellement un surpresseur, une boîte froide et une unité d'épuration d'air, l'installation étant associée à un système de stockages et i) pour le cas où N=1 deux compresseurs d'air étant reliés à la boîte froide pour l'alimenter en air 20 ou ii) pour le cas où N>_2 , chaque compresseur d'air étant relié à au moins plusieurs, voire les N, boîtes froides des appareils de séparation d'air pour les alimenter en air, et dans lequel le ou les appareil(s) de séparation d'air ont au moins trois modes de 25 fonctionnement différenciés en terme de consommation d'énergie électrique, mais pas en terme de production d'oxygène qui, quant à elle, pour chacun des trois modes, reste quasiment stable, par exemple dans une fourchette de +5%/-5%, autour de la production nominale, pour fournir une centrale thermique produisant de l'électricité pour le réseau électrique : 30 - un premier mode de fonctionnement dit nominal où l'ensemble du/des compresseur(s) d'air, du/des surpresseur(s) et de la/ des boîtes froides fonctionnent à leur point nominal, - un deuxième mode de fonctionnement où la boîte froide ou l'ensemble des boîtes froides fonctionne(nt) avec l'envoi d'oxygène liquide à la/ chaque boîte froide avec une coproduction d'azote liquide ou d'air liquide, la quantité d'air comprimé et éventuellement surpressé envoyée à la/chaque boîte froide étant inférieure à la quantité d'air utilisé dans le premier mode, - un troisième mode de fonctionnement où la boîte froide ou l'ensemble des boites froides produit/produisent la production nominale d'oxygène gazeux et une quantité supplémentaire d'oxygène gazeux qui est liquéfié au moyen d'un échange thermique avec l'azote liquide ou l'air liquide produit dans le deuxième mode, sur une quantité d'air comprimé et éventuellement surpressé, supérieure à la quantité d'air utilisé dans le premier et le deuxième mode, io caractérisé par le fait que le nombre de compresseurs d'air et éventuellement surpresseurs fonctionnant dans le deuxième mode est inférieur à celui des premier et/ou troisième modes. Selon d'autres caractéristiques optionnelles : - le ou les compresseur(s) d'air et éventuellement le ou les 15 surpresseur(s) restant en fonctionnement dans le deuxième mode de fonctionnement, fonctionnent à un point proche de son/leur point nominal ; - l'énergie spécifique de l'oxygène gazeux produit dans le deuxième mode de fonctionnement est plus basse que celle de l'oxygène gazeux dans le premier mode de fonctionnement, qui elle-même est plus basse que celle du 20 troisième mode de fonctionnement ; - N=1, et l'appareil de séparation d'air comprend une seule boîte froide, au moins deux compresseurs d'air et éventuellement au moins deux surpresseurs et dans lequel selon le deuxième mode au moins un des compresseurs d'air et éventuellement au moins un des surpresseurs est à 25 l'arrêt alors que la boîte froide est en fonctionnement ; - pendant le deuxième mode de fonctionnement au moins, un compresseur d'air alimente la/chaque boîte froide en air ; - N>_2 et dans lequel pendant le deuxième mode de fonctionnement toutes les boîtes froides produisent de l'oxygène ; 30 - le nombre de compresseurs d'air et éventuellement surpresseurs fonctionnant dans le deuxième mode est inférieur à ceux des premier et troisième modes ; - le prix de l'électricité pendant le premier mode est supérieur au prix de l'électricité pendant le troisième mode ; - le prix de l'électricité pendant le deuxième mode est supérieur au prix d'électricité pendant le premier mode. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation de séparation d'air comprenant plusieurs appareils de séparation d'air, chaque appareil comprenant un compresseur d'air, un échangeur de chaleur, une unité d'épuration, un système de colonnes, le système de colonnes et l'échangeur de chaleur faisant partie d'une boîte froide, chacune des boîtes froides étant reliée à un premier stockage d'oxygène liquide et à un deuxième stockage d'air liquide ou d'azote liquide, les premier et deuxième stockages et le stockage io d'oxygène liquide étant relié à un échangeur de chaleur, lui-même relié à une conduite d'oxygène gazeux reliée aux boîtes froides. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures dans lesquelles les Figures 1 à 3 représentent les trois modes de fonctionnement de l'invention appliquées à un procédé avec quatre appareils de séparation d'air et 15 la Figure 4 représente une installation avec un seul appareil de séparation d'air qui peut opérer selon l'invention. La Figure 1 représente un appareil fonctionnant selon le premier mode de fonctionnement. Chacun de quatre appareils comprend un compresseur d'air Cl, C2, C3, C4, une unité d'épuration El, E2, E3, E4, un échangeur de chaleur 20 HEX1, HEX2, HEX3, HEX4 et un système de colonnes CS1, CS2, CS3, CS4. La boîte froide de chaque appareil comprend l'échangeur HEX et le système de colonnes CS. Chaque compresseur est relié à l'ensemble des échangeurs de chaleur et les échangeurs sont tous reliés à une conduite R de mise en réseau 25 d'oxygène gazeux GOX. L'installation comprend également un stockage d'oxygène S1 et un stockage S2 qui n'interviennent pas dans le fonctionnement selon le premier mode. Nous aurons la plupart du temps, pour des questions de faisabilité et/ou de fiabilité, au moins deux ensembles comprenant chacun une unité d'épuration 30 et une boite froide, voire quatre (pris pour cet exemple, plus encore étant possible) avec autant, voire même plus, de compresseurs principal d'air (MAC), associés éventuellement à des surpresseurs d'air (BAC) ou de compresseur d'azote ou de compresseur d'oxygène, un ensemble de stockage de produits liquide (LOX, LIN, air liquide éventuellement) pouvant être mis en commun avec ces ASUs. Les MAC et les BAC des différentes ASUs (voire compresseurs ou surpresseurs d'azote ou d'oxygène) sont mis en réseau afin de fournir en commun l'ensemble des boites froides (et en réseau éventuellement pour l'azote et/ou d'oxygène pour la fourniture en aval). Dans un premier mode de fonctionnement, lorsque le tarif électrique est dans une certaine plage de valorisation dite normale, ces 4 appareils de séparation d'air fonctionnent avec l'ensemble des compresseurs au nominal et io produisent les quantités de GOX requis par la centrale. Dans un deuxième mode de fonctionnement, illustré dans la Figure 2, lorsque l'énergie est fortement valorisée, et afin de ne pas déstabiliser plusieurs fois par jour le fonctionnement de la centrale à charbon si elle est conçue pour marcher en base et de ne pas arrêter de stocker le CO2 après purification, la 15 production des quatre ASUs associées à son système de stockage de liquide est gardée quasi stable, mais pour pouvoir mettre sur le réseau à ces moments de haute valorisation, de l'énergie supplémentaire, un voire deux des MAC et éventuellement un voire deux des BAC sont arrêtés (et éventuellement des compresseurs ou surpresseurs d'azote), les quatre boîtes froides continuent à 20 produire tout en étant en marche réduite et donc avec des pertes de charges réduites, mais en étant biberonnées en oxygène liquide (LOX) (et produisant de l'azote liquide (LIN) ou de l'air liquide pour maintenir l'équilibre), la quantité nominale (ou presque) requise pour le fonctionnement de la centrale, les MACs et BACs restants sont en fonctionnement près de leur point nominal (donc avec 25 à priori leur rendement optimum) : cette approche permet d'avoir pendant les périodes de fortes valorisation de l'énergie un minimum d'énergie consommée par des ASUs, tout en ayant ces ASUs produisant à leur nominal ou proche, mais avec une meilleure énergie spécifique qu'en leur point design (MAC et BAC restant à l'optimum énergétique avec des BF à pertes de charge réduites). 30 Dans l'exemple de la Figure 2, on voit que les compresseurs C2 et C3 sont arrêtés alors que les compresseurs Cl et C4 continuent à fonctionner, tous les appareils de séparation d'air étant en fonctionnement. De l'oxygène liquide est envoyé à au moins un des échangeurs de chaleur HEX1, HEX2, HEX3, HEX4 et/ou à au moins un des systèmes de colonnes CS1, CS2, CS3, CS4 du stockage S1. De même de l'azote liquide provenant d'au moins un des systèmes de colonnes CS1, CS2, CS3, CS4 est envoyé au stockage S2. Cet azote liquide peut être remplacé par de l'air liquide. Dans un troisième mode de fonctionnement, lorsque l'énergie est plus faiblement valorisée, l'ensemble des ASUs produit plus que leur production nominale, les différents compresseurs aussi, le GOX supplémentaire produit étant liquéfié avec le LIN ou l'air liquide précédemment produit en deuxième mode de fonctionnement, l'énergie consommée étant alors bien supérieure à l'énergie nominale et les pertes de charges induites par ces marches poussées, io les compresseurs étant aussi poussés, induisant une énergie spécifique bien supérieure à celle en marche nominale. Cette approche peut être généralisée aussi au cas d'unité avec de la pré-combustion avec, entre autres, des compresseurs ou surpresseurs d'azote et/ou d'oxygène qui pourraient suivre le même type d'approche que pour les 15 MAC et BAC. A la Figure 3, on voit que tous les compresseurs sont en état de fonctionnement et que de l'oxygène liquide est envoyé d'au moins un des systèmes de colonnes vers le stockage S1 alors que l'azote liquide provenant du stockage S2 sert à liquéfier l'oxygène gazeux pour produire le liquide envoyé 20 au stockage S1. Cette liquéfaction aura lieu, par exemple, dans un échangeur dédié non-illustré. La liquéfaction par échange de chaleur avec l'azote liquide peut être remplacée par une liquéfaction par échange de chaleur avec l'air liquide. Il sera compris que la façon d'illustrer les modes dans les figures 1 à 3 25 est d'illustrer uniquement les conduites où les fluides circulent. Ainsi les compresseurs C2, C3 sont montrés comme n'étant plus reliés aux échangeurs dans la Figure 2 pour signifier que l'air ne circule plus entre ces compresseurs et l'échangeur. Les connexions réelles évidemment restent permanentes mais peuvent être fermées ou inversées comme on voit dans les diverses figures. 30 La Figure 4 montre un seul appareil de séparation d'air capable de fonctionner selon le procédé de l'invention. Il comprend deux compresseurs d'air Cl, C2, une unité d'épuration E, un échangeur de chaleur HEX1 et un système de colonnes BF1. Lors du premier mode, lorsque le tarif électrique est dans une certaine plage de valorisation dite normale, cet appareil de séparation d'air fonctionne avec les deux compresseurs au nominal et produit la quantité de GOX requis par la centrale. Lors du deuxième mode, quand l'électricité atteint un prix plus élevé, un seul des compresseurs fonctionne. De l'oxygène liquide est envoyé à l'échangeur de chaleur HEX1 et/ou au système de colonnes CS1 à partir du stockage S1. De même de l'azote liquide provenant d'au moins du système de colonnes CS1 est envoyé au stockage S2. Cet azote liquide peut être remplacé io par de l'air liquide. Lors du troisième mode, quand l'électricité est moins chère que pendant le premier mode, on voit que tous les compresseurs sont en état de fonctionnement et que de l'oxygène liquide est envoyé d'au moins un des systèmes de colonnes vers le stockage S1 alors que l'azote liquide provenant 15 du stockage S2 sert à liquéfier l'oxygène gazeux pour produire le liquide envoyé au stockage S1. Cette liquéfaction aura lieu, par exemple, dans un échangeur dédié non-illustré. La liquéfaction par échange de chaleur avec l'azote liquide peut être remplacée par une liquéfaction par échange de chaleur avec l'air liquide. REVENDICATIONS1. Procédé de distillation d'air cryogénique dans une installation comprenant N appareils de séparation d'air (N>_ 1), chaque appareil comprenant au moins un compresseur d'air (Cl, C2, C3, C4), éventuellement un surpresseur, une boîte froide et une unité d'épuration d'air (El, E2, E3, E4), l'installation étant associée à un système de stockages et i) pour le cas où N=1 deux compresseurs d'air (Cl, C2) étant reliés à la boîte froide pour l'alimenter en air io ou ii) pour le cas où N>_2, chaque compresseur d'air (Cl, C2, C3, C4) étant relié à au moins plusieurs, voire les N, boîtes froides des appareils de séparation d'air pour les alimenter en air, et dans lequel le ou les appareil(s) de séparation d'air ont au moins trois modes de 15 fonctionnement différenciés en terme de consommation d'énergie électrique, mais pas en terme de production d'oxygène qui, quant à elle, pour chacun des trois modes, reste quasiment stable, par exemple dans une fourchette de +5%/-5%, autour de la production nominale, pour fournir une centrale thermique produisant de l'électricité pour le réseau électrique : 20 - un premier mode de fonctionnement dit nominal où l'ensemble du/des compresseur(s) d'air, du/des surpresseur(s) et de la/ des boîtes froides fonctionnent à leur point nominal, - un deuxième mode de fonctionnement où la boîte froide ou l'ensemble des boîtes froides fonctionne(nt) avec l'envoi d'oxygène liquide à la/ chaque 25 boîte froide avec une coproduction d'azote liquide ou d'air liquide, la quantité d'air comprimé et éventuellement surpressé, envoyée à la/chaque boîte froide étant inférieure à la quantité d'air utilisé dans le premier mode, - un troisième mode de fonctionnement où la boîte froide ou l'ensemble des boites froides produit/produisent la production nominale d'oxygène gazeux 30 et une quantité supplémentaire d'oxygène gazeux qui est liquéfié au moyen d'un échange thermique avec l'azote liquide ou l'air liquide produit dans le deuxième mode, sur une quantité d'air comprimé et éventuellement surpressé, supérieure à la quantité d'air utilisé dans le premier et le deuxième mode, 30caractérisé par le fait que le nombre de compresseurs d'air et éventuellement surpresseurs fonctionnant dans le deuxième mode est inférieur à celui des premier et/ou troisième modes. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le ou les compresseur(s) d'air (Cl, C2, C3, C4) et éventuellement le ou les surpresseur(s) restant en fonctionnement dans le deuxième mode de fonctionnement, fonctionnent à un point proche de son/leur point nominal. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'énergie spécifique de l'oxygène gazeux produit dans le deuxième mode de fonctionnement est plus basse que celle de l'oxygène gazeux dans le premier mode de fonctionnement, qui elle-même est plus basse que celle du troisième mode de fonctionnement. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel N=1, et l'appareil de séparation d'air comprend une boîte froide, au moins deux compresseurs d'air (Cl, C2 ) et éventuellement au moins deux surpresseurs et dans lequel selon le deuxième mode au moins un des compresseurs d'air et éventuellement au moins un des surpresseurs est à l'arrêt alors que la boîte froide est en fonctionnement. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant le deuxième mode de fonctionnement au moins un compresseur d'air (Cl, C2, C3, C4) alimente la/chaque boîte froide en air. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 ou 5 dans lequel N>_2 et dans lequel pendant le deuxième mode de fonctionnement toutes les boîtes froides produisent de l'oxygène. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le nombre de compresseurs d'air (Cl, C2, C3, C4) et éventuellement surpresseurs fonctionnant dans le deuxième mode est inférieur à ceux des premier et troisième modes. 5i0 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le prix de l'électricité pendant le premier mode est supérieur au prix de l'électricité pendant le troisième mode. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le prix de l'électricité pendant le deuxième mode est supérieur au prix d'électricité pendant le premier mode. io 10. Installation de séparation d'air comprenant plusieurs appareils de séparation d'air, chaque appareil comprenant un compresseur d'air (Cl, C2, C3, C4), un échangeur de chaleur (HEX1, HEX2, HEX3, HEX4), une unité d'épuration (El, E2, E3, E4), un système de colonnes (CS1, CS2, CS3, CS4), le système de colonnes et l'échangeur de chaleur faisant partie d'une boîte 15 froide, chacune des boîtes froides étant reliée à un premier stockage d'oxygène liquide (Si) et à un deuxième stockage (S2) d'air liquide ou d'azote liquide, les premier et deuxième stockages et le stockage d'oxygène liquide étant relié à un échangeur de chaleur, lui-même relié à une conduite d'oxygène gazeux reliée aux boîtes froides. 20