Brevet FR2957408A1 — publié le 20110916

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de chauffage d'un gaz de l'air provenant d'un appareil de séparation d'air. Il est fréquemment nécessaire de chauffer un des produits gazeux d'un appareil de séparation d'air pour l'amener à une température d'utilisation. En particulier, il est connu : • d'utiliser un réchauffeur électrique ou à vapeur d'eau pour chauffer l'azote résiduaire venant d'une boite froide pour régénérer les adsorbants d'une unité d'épuration d'air en amont de la boîte froide ; • de préchauffer l'oxygène injecté dans une chaudière io d'oxycombustion avec des fumées. Utiliser de l'électricité pour chauffer un fluide revient à gâcher de l'énergie « noble » car le rendement de conversion entre énergie thermique et énergie électrique ne dépasse pas 50 % au mieux. Dans une centrale électrique, soutirer de la vapeur du cycle vapeur peut 15 entraîner des pertes de production électrique significatives. D'un point de vue thermodynamique dans la Figure 1, on voit que le diagramme d'échange représentant en abscisses l'échange de chaleur E et la température T en ordonnées pour le chauffage d'azote résiduaire WN2 avec de la vapeur d'eau V est pincé au bout chaud, mais présente un fort AT au bout 20 froid. Même en récupérant la chaleur des condensats de la vapeur (on aurait alors un AT plus faible au bout froid), le diagramme d'échange resterait globalement très écarté (c'est-à-dire que la surface entre les courbes reste très grande, ce qui signifie beaucoup de perte entropique) Dans une centrale électrique de type « oxycombustion », pour la 25 préchauffe d'oxygène : • on peut utiliser les fumées de la chaudière ; • on peut améliorer le rendement global de l'installation en récupérant des calories en sortie des compresseurs de l'appareil de séparation d'air. Dans ce dernier cas, on peut avoir un échangeur gaz/gaz (air/O2), mais 30 celui-ci est alors un très gros équipement qui nécessite beaucoup de surface d'échange, tout en ayant une très faible perte de charge. Un but de l'invention est de trouver un moyen de chauffage à bas coût et à température sensiblement constante permettant un échange de chaleur efficace pour chauffer un gaz de l'air. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de chauffage d'un gaz de l'air produit par séparation d'air comprenant un échangeur de chaleur, une conduite pour y envoyer le gaz de l'air et une conduite pour y envoyer un fluide calorigène, caractérisé en ce que la conduite pour envoyer le fluide calorigène à l'échangeur de chaleur est reliée à un point d'une conduite d'eau sous forme de liquide, le point étant en amont ou en aval d'un échangeur de préchauffage d'eau ou un dégazeur d'eau, l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur étant en amont d'une chaudière, par exemple une chaudière d'oxycombustion. io Selon d'autres aspects facultatifs : - la conduite envoyant le fluide calorigène à l'échangeur de chaleur est reliée au point d'une conduite d'eau, le point étant en aval de l'échangeur de préchauffage d'eau ou du dégazeur d'eau ; - le gaz de l'air est riche en oxygène et éventuellement l'échangeur de 15 chaleur est relié à la chaudière pour y envoyer le gaz riche en oxygène chauffé ; - une conduite relie l'échangeur de chaleur avec l'échangeur de préchauffage pour envoyer l'eau ayant servi à chauffer le gaz de l'air à l'échangeur de préchauffage pour s'y chauffer ; 20 - une conduite d'amenée de vapeur d'eau est reliée à la conduite envoyant le fluide calorigène à l'échangeur de chaleur pour augmenter la température de l'eau en amont de l'échangeur de chaleur soit par injection directe, soit par échange indirect. Un autre objet de l'invention est une installation combinée d'un appareil 25 tel que décrit ci-dessus et d'un appareil de séparation d'air comprenant une conduite d'amenée d'air comprimé, une unité d'épuration et une boîte froide, contenant un système de colonnes de distillation, une conduite de production d'un gaz riche en azote reliant la boîte froide et l'unité d'épuration et dans lequel l'échangeur de chaleur est relié à la conduite de production, de sorte que le gaz 30 riche en azote se réchauffe en amont de l'unité d'épuration. Un autre objet de l'invention est une installation combinée d'un appareil tel que décrit ci-dessus et d'un appareil de séparation d'air comprenant une conduite d'amenée d'air comprimé, une unité d'épuration, une boîte froide, contenant un système de colonnes de distillation l'échangeur de préchauffage étant relié à la conduite d'amenée d'air comprimé ou une conduite de gaz de l'air provenant de la boîte froide afin d'assurer le chauffage d'eau destinée à la chaudière (et éventuellement au dégazeur). Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de chauffage d'un gaz de l'air produit par séparation d'air dans lequel un gaz de l'air est chauffé par échange de chaleur indirect avec un fluide calorigène, caractérisé en ce que le fluide calorigène est de l'eau sous forme de liquide prélevée en amont ou en aval d'un échangeur de préchauffage d'eau ou un dégazeur d'eau, l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur traitant de l'eau destinée à une io chaudière, par exemple une chaudière d'oxycombustion, l'eau étant de préférence à une température entre 100 et 200°C. De préférence : - le fluide calorigène utilisé pour chauffer le gaz de l'air a été chauffé dans l'échangeur de préchauffage et éventuellement dégazé dans le dégazeur ; 15 - l'eau utilisée comme fluide calorigène est à une pression entre 5 et 20 bars absolus. L'avantage thermique de l'usage d'un débit d'eau sous forme liquide BFW pour chauffer le gaz de l'air apparaît clairement dans la Figure 2 où le diagramme d'échange représentant en abscisses l'échange de chaleur E et la 20 température T en ordonnées pour le chauffage d'azote résiduaire WN2, le AT étant uniforme et réduit à travers tout le réchauffage. L'invention sera décrite en plus de détails en se référant aux figures, les figures 3 et 4 représentant des appareils de chauffage selon l'invention. Dans la Figure 3, on représente un appareil de séparation d'air 25 comprenant un compresseur 1, un échangeur 5, une unité d'épuration 6 et une boîte froide 9. De l'air 3, comprimé dans le compresseur, est refroidi dans l'échangeur 5 par échange de chaleur avec de l'eau sous forme liquide 25 destinée à une chaudière d'oxycombustion 19. L'air refroidi est épuré dans l'unité d'épuration 6 pour former de l'air épuré 7 puis est séparé dans la boîte 30 froide 9 contenant un échangeur et un système de colonnes. De la boîte froide sont produits un débit riche en oxygène 17, qui est envoyé à la chaudière d'oxycombustion 19, et un débit gazeux riche en azote 11 à la température ambiante, par exemple entre 0 et 30°C. L'azote est chauffé dans un échangeur de chaleur indirect 13 au moyen d'un débit d'eau chaude sous forme liquide 29 à une température entre 100 et 200°C. L'eau chaude 29 entre dans l'échangeur 13 à entre 100 et 200°C et une pression entre 5 et 20 bars absolus pour être refroidie à entre 20 et 60°C. L'azote chauffé 15 sert à régénérer l'unité d'épuration 5. L'eau chaude 29 à entre 100 et 200°C provient dans le cas illustré en aval d'un dégazeur d'eau 27. Il est également possible de prendre de l'eau juste en amont du dégazeur, en aval de l'échangeur 5 qui sert à préchauffer l'eau (et éventuellement injecter de la vapeur dans cette eau pour augmenter sa température jusqu'à la température requise) ou en amont de cet échangeur 5. io L'eau qui n'est pas prélevée pour aller chauffer l'azote est pompée dans une pompe 33 à une haute pression et envoyé à la chaudière. L'eau sortant de la chaudière 21 est pompée à une basse pression par la pompe 23 pour être envoyée au préchauffeur 5. L'eau qui a servi à chauffer l'azote est renvoyée en amont de la pompe 23 comme débit 35. 15 Dans la Figure 4, on représente un appareil de séparation d'air comprenant un compresseur 1, un échangeur 5, une unité d'épuration 6 et une boîte froide 9. De l'air 3, comprimé dans le compresseur, est refroidi dans l'échangeur 5 par échange de chaleur avec de l'eau sous forme liquide 25, destinée à une chaudière d'oxycombustion 19. L'air refroidi est épuré dans 20 l'unité d'épuration 6 pour former de l'air épuré 7 puis est séparé dans la boîte froide 9 contenant un échangeur et un système de colonnes. De la boîte froide sont produits un débit riche en oxygène 17, qui est envoyé à la chaudière d'oxycombustion 19, et un débit gazeux riche en azote à la température ambiante. Le débit 17 à entre 0 et 30°C est chauffé au moyen d'un débit d'eau 25 chaude 29 dans l'échangeur 43 pour réchauffer l'oxygène à entre 100 et 200°C et refroidir l'eau à entre 10 et 30°C. L'eau chaude 29 à entrel00 et 200°C et à une pression entre 5 et 20 bars provient dans le cas illustré en aval d'un dégazeur d'eau 27. Il est également possible de prendre de l'eau juste en amont du dégazeur, en aval de l'échangeur 5 qui sert à préchauffer l'eau ou en 30 amont de cet échangeur 5. L'eau qui n'est pas prélevée pour aller chauffer l'oxygène est pompée dans une pompe 33 à une haute pression et envoyée à la chaudière. L'eau sortant de la chaudière 21 est pompée à une basse pression par la pompe 23 pour être envoyée au préchauffeur 5. L'eau qui a servi à chauffer l'oxygène est renvoyée en amont de la pompe 23 comme débit 35. 6 REVENDICATIONS1. Appareil de chauffage d'un gaz de l'air produit par séparation d'air comprenant un échangeur de chaleur (13,43), une conduite pour y envoyer le gaz de l'air et une conduite pour y envoyer un fluide calorigène, caractérisé en ce que la conduite pour envoyer le fluide calorigène à l'échangeur de chaleur est reliée à un point d'une conduite d'eau sous forme de liquide, le point étant en amont ou en aval d'un échangeur de préchauffage d'eau (5) ou un dégazeur d'eau (27), l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur étant en amont d'une chaudière (19), par exemple une chaudière d'oxycombustion. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la conduite envoyant le fluide calorigène à l'échangeur de chaleur (13,43) est reliée au point d'une conduite d'eau, le point étant en aval de l'échangeur de préchauffage d'eau (5) ou du dégazeur d'eau (27). 3. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz de l'air est riche en oxygène et éventuellement dans lequel l'échangeur de chaleur (43) est relié à la chaudière (19) pour y envoyer le gaz riche en oxygène chauffé. 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite reliant l'échangeur de chaleur (13,43) avec l'échangeur de préchauffage (5) pour envoyer l'eau ayant servi à chauffer le gaz de l'air à l'échangeur de préchauffage pour s'y chauffer. 5. Appareil suivant la revendication précédente comprenant une conduite d'amenée de vapeur d'eau reliée à la conduite d'eau en amont de l'échangeur de chaleur (13,43) pour augmenter la température de l'eau (soit par injection directe, soit par échange indirect). 6. Installation combinée d'un appareil tel que revendiqué dans une des revendications 1 à 5 et un appareil de séparation d'air comprenant une conduite d'amenée d'air comprimé, une unité d'épuration (6) et une boîte froide 7 2957408 (9), contenant un système de colonnes de distillation, une conduite de production d'un gaz riche en azote reliant la boîte froide et l'unité d'épuration et dans lequel l'échangeur de chaleur est relié à la conduite de production de sorte que le gaz riche en azote se réchauffe en amont de l'unité d'épuration. 5 7. Installation combinée d'un appareil tel que revendiqué dans les revendications 1 à 5 et un appareil de séparation d'air comprenant une conduite d'amenée d'air comprimé, une unité d'épuration (6), une boîte froide (9), contenant un. système de colonnes de distillation, l'échangeur de préchauffage 10 (5) étant relié à la conduite d'amenée d'air comprimé ou une conduite de gaz de l'air provenant de la boîte froide afin d'assurer le chauffage d'eau destinée à la chaudière (19) (et éventuellement au dégazeur). 8. Procédé de chauffage d'un gaz de l'air produit par séparation d'air 15 dans lequel un gaz de l'air est chauffé par échange de chaleur indirect avec un fluide calorigène, caractérisé en ce que le fluide calorigène est de l'eau sous forme de liquide prélevée en amont ou en aval d'un échangeur de préchauffage d'eau (5) ou un dégazeur d'eau (27), l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur traitant de l'eau destinée à une chaudière (19), par exemple une 20 chaudière d'oxycombustion, l'eau étant de préférence à une température entre 100 et 200°C. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel le fluide calorigène utilisé pour chauffer le gaz de l'air a été chauffé dans l'échangeur de 25 préchauffage (5) et éventuellement dégazé dans le dégazeur (27). 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9 dans lequel l'eau (29) utilisée comme fluide calorigène est à une pression entre 5 et 20 bars absolus.