Brevet FR2949845A1 — publié le 20110311

i La présente invention concerne un procédé d'opération d'au moins un appareil de séparation d'air et d'une unité consommatrice d'un gaz riche en oxygène, comprenant une unité de combustion de combustibles carbonés ou une unité de gazéification, l'unité consommatrice du gaz riche en oxygène étant capable de générer de l'électricité. L'unité consommatrice est alimentée par un gaz riche en oxygène, issu de l'appareil ou des appareils de séparation d'air. Une des technologies de capture de CO2 pour les unités de combustion de combustibles carbonés, pour la production d'énergie,appelée l'Oxycombustion, nécessitera de très grande quantités d'oxygène (de 10000 M tonnes par jour à io 20000 M tonnes par jour suivant les sites) produite par une série d'appareil de séparation d'air associée à des l'unités de séparation des gaz résiduaires des unités de combustion pour produire le CO2 à la sortie de ou des unité de combustions avant son transport et séquestration. Ces appareils de séparation d'air sont de très gros consommateurs d'énergie électrique, ce qui pénalise la 15 mise sur réseau de la puissance produite par l'unité consommatrice aux heures où l'énergie est valorisée au plus haut. Sont connus des systèmes de bascule qui permettent de limiter la puissance consommée par celles-ci pendant les heures de pointes, (US-A-20080115531 ou WO-A-09/071833). 20 Il est aussi envisageable d'arrêter et de redémarrer les appareils de séparation d'air pour économiser de l'énergie et de repasser ainsi en mode air pour l'unité consommatrice et en ne capturant pas le CO2 que pendant ces périodes de relativement courte durée, mais le temps de redémarrage n'est pas forcément compatible avec plusieurs opérations de ce type chaque jour. 25 Une partie des unités de combustion est prévue pour fonctionner en base, c'est-à-dire d'une façon stable et continu sur tout ou presque toute l'année (haute, intermédiaire, et basse saison), et ce généralement proche de leur consommation nominale, afin de mettre sur le réseau d'une façon continue de l'énergie électrique, d'autres unité de combustions sont prévues pour marcher 30 d'une façon plus erratique et répondre aux besoins à partir d'un certain niveau de consommation d'énergie électrique (haute et saison intermédiaire), voire d'autres encore qui sont prévues pour répondre uniquement aux besoins de pointe (quelques centaines, voir un peu plus d'un millier d'heures par an, haute saison). 2 Dans le cas des unité de combustion fonctionnant d'une façon relativement erratique, les appareils de séparation d'air, qui fournissent l'oxygène pour l'oxycombustion sont dimensionnés pour fournir à leur nominal l'ensemble des besoins de l'unité consommatrice quand celle-ci marche normalement, et sont obligées de mettre à l'air ou de s'arrêter lorsque la unité de combustion s'arrête durant quelques heures chaque jour ou quelques jours par semaine quand la demande est faible, ce qui a pour conséquence au global une perte d'énergie considérable. En effet la mise à l'air de l'oxygène après que celui-ci ait été séparé, même io si elle peut être faite à basse pression, représente une énergie perdue de l'ordre de 0,2 à 0,35 KWh/Nm3 suivant les schémas de procédé utilisés. Quant au redémarrage d'un appareil de séparation d'air après un arrêt de courte durée, en dehors de sa complexité, prendra de l'ordre d'une heure avant d'obtenir les puretés et pression requises, ce qui correspond aussi à une perte 15 d'énergie non négligeable. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé d'opération d'une installation comprenant au moins un appareil de séparation d'air, un système de stockage et une unité consommatrice d'un gaz riche en oxygène comprenant une unité de combustion de combustibles carbonés ou d'une unité de gazéification, 20 l'unité consommatrice étant capable de générer de l'électricité au moins selon une première marche, dans lequel l'installation fonctionne suivant plusieurs marches, a) selon la première marche, pendant laquelle le coût de l'électricité est supérieur à un premier seuil tarifaire, l'unité consommatrice reçoit une quantité de gaz riche en oxygène, supérieure à un premier seuil 25 de consommation, provenant du ou au moins certains des appareils de séparation d'air, le gaz riche en oxygène constitué en partie par de l'oxygène stocké dans le système de stockage, qui est alimenté par le ou les appareils de séparation d'air pendant une deuxième marche, et en partie par de l'oxygène produit par distillation pendant 30 la première marche, et b) selon la deuxième marche, pendant laquelle le coût de l'électricité est inférieur à un deuxième seuil tarifaire, le deuxième seuil tarifaire étant inférieur au premier seuil tarifaire, l'unité consommatrice 3 consomme une quantité de gaz riche en oxygène en dessous d'un deuxième seuil de consommation, le deuxième seuil étant inférieur au premier seuil, la quantité pouvant être zéro, de l'air se sépare dans le ou au moins un des appareils de séparation d'air et un liquide riche en oxygène est envoyé de l'appareil de séparation ou du au moins un appareil de séparation au système de stockage. Selon d'autres caractéristiques préférentielles : - le nombre de moles d'oxygène dans le liquide riche en oxygène stockée pendant la totalité de la deuxième marche est inférieure au nombre de moles io d'oxygène envoyé comme gaz riche en oxygène à l'unité consommatrice pendant la première marche, - la consommation de gaz riche en oxygène pendant la première marche est substantiellement constante, - la quantité d'air envoyée à l'appareil (aux appareils) de séparation d'air 15 pendant la première marche correspond à une production d'oxygène inférieure d'au moins 15%, de préférence d'au moins 25%, voire d'au moins 40%, à la production de gaz riche en oxygène envoyée à l'unité consommatrice, - la différence entre la production de gaz riche en oxygène correspondant à la quantité d'air envoyée à l'appareil et la consommation de gaz riche en oxygène 20 envoyé à l'unité consommatrice correspond à au moins une partie de la quantité d'oxygène liquide stockée pendant la deuxième marche, - le nombre d'appareils de séparation fonctionnant pendant la première marche est inférieur au nombre d'appareils fonctionnant pendant la deuxième marche, 25 - le nombre de compresseurs d'air fonctionnant pendant la première marche est inférieur au nombre de compresseurs d'air fonctionnant pendant la deuxième marche, - la quantité d'oxygène liquide envoyée de l'appareils ou des appareils de séparation d'air vers le système de stockage pendant la première marche ne 30 dépasse pas 1 %, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (aux appareils de séparation d'air) et/ou la quantité d'oxygène liquide envoyée du système de stockage vers l'appareil ou les appareils de séparation d'air pendant la deuxième marche ne dépasse pas 1 %, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (aux appareils de séparation d'air), - la quantité d'oxygène gazeux soutiré de l'appareil ou des appareils de séparation d'air pendant la deuxième marche ne dépasse pas 1%, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (aux appareils de séparation d'air), - pendant la deuxième marche et de préférence pas pendant la première marche, de l'azote liquide et/ou de l'air liquide est envoyé vers le ou les appareils de séparation d'air, l'azote liquide et/ou l'air liquide étant produit(s) pendant la io première marche, et de préférence pas pendant la deuxième marche, par le ou les appareils de séparation d'air, - il y a n appareils de séparation d'air, n étant de préférence au moins 2, et au moins un des appareils de séparation d'air ou l'appareil de séparation d'air a une capacité nominale en gaz riche en oxygène inférieur à la capacité nominale 15 de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé par n, - n est au moins égal à trois et au moins deux des appareils de séparation d'air ont une capacité nominale en gaz riche en oxygène inférieur à la capacité nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé par n, - il y a n appareils de séparation d'air, n étant de préférence au moins 2, et 20 au moins un des appareils de séparation d'air ou l'appareil de séparation d'air a une capacité nominale en gaz riche en oxygène supérieur à la capacité nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé par n, - n est au moins égal à trois et au moins deux des appareils de séparation d'air ont une capacité nominale en gaz riche en oxygène supérieur à la capacité 25 nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé par n, Pour des questions de faisabilité et/ou de fiabilité, chaque installation comprend généralement au moins deux appareils de séparation d'air. Chaque appareil de séparation comprend une unité d'épuration d'eau et de dioxyde de carbone pour épurer l'air ainsi qu'une boîte froide où se trouvent les colonnes de 30 distillation. Pour comprimer l'air il est prévu au moins autant de compresseur d'air que d'appareils de séparation d'air, donc pour le cas de deux appareils, au moins deux compresseurs d'air. Ces compresseurs sont associés éventuellement à des surpresseurs d'air. L'installation comprend également un système de stockage de produits liquide (oxygène liquide, azote liquide, et éventuellement air liquide) constitués par un ou plusieurs stockages par produit. Ce système de stockage peut être mis en commun avec ces appareils de séparation d'air. 5 Les compresseurs d'air et les surpresseurs d'air peuvent être mis en réseau afin de fournir en commun l'ensemble des appareils de séparation d'air. Pendant certaines des périodes de marche, voire toutes, de l'unité consommatrice (première marche), l'unité consommatrice consomme une quantité substantiellement constante d'oxygène. io Cette quantité constante est fournie par le ou les appareils de séparation d'air en permanence. Pendant cette marche, le coût d'électricité est au-dessus d'un premier seuil tarifaire et la consommation d'oxygène par l'unité consommatrice est au-dessus d'un premier seuil de consommation. Pendant toute la première marche, une partie de l'oxygène est toujours produite, à partir 15 d'oxygène stocké et produit pendant la deuxième marche. L'oxygène provenant du stockage peut être vaporisé dans un vaporiseur externe aux appareils de séparation d'air mais il est plus intéressant énergétiquement que les appareils de séparation d'air reçoivent les frigories de la chaleur latente de l'oxygène provenant des stockages. 20 De l'azote liquide et/ou de l'air liquide peut être produit dans les périodes de forte demande d'énergie électrique (tarif au-delà du premier seuil tarifaire) sur le réseau par alimentation d'un élément de l'appareil (des appareils) en oxygène liquide, pendant que les appareils de séparation d'air sont alimentés par de l'oxygène liquide provenant d'un stockage du système de stockage, un stockage 25 de la boîte froide ou une source extérieure. Pendant les périodes d'arrêt de l'unité de combustion, au moins un des appareils de séparation d'air fonctionne toujours et produit de grandes quantités d'oxygène liquide, une colonne de l'appareil de séparation d'air en étant éventuellement alimenté en azote liquide et/ou d'air liquide provenant d'un 30 stockage du système de stockage, un stockage de la boîte froide ou une source extérieure. De préférence, le nombre d'appareils de séparation d'air fonctionnant lors de l'arrêt de l'unité consommatrice est plus élevé que le nombre d'appareils de séparation d'air fonctionnant lorsque l'unité consommatrice fonctionne. De 6 cette manière, on profite du bas tarif d'électricité pendant la deuxième marche pour faire de l'oxygène liquide qui servira à alimenter l'unité consommatrice pendant la première marche lorsque l'électricité est chère. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui montre une installation capable de fonctionner selon le procédé de l'invention. L'installation comprend un ensemble 1 de quatre appareils de séparation d'air, un système de stockage 2 et une unité consommatrice de gaz riche en oxygène 3 pouvant être une unité de combustion de combustibles carbones ou un gazéifieur. S'il s'agit une unité de combustion, l'unité consommatrice peut io également être alimentée par de l'air à la place de l'oxygène. Chaque appareil de séparation d'air comprenant une unité d'épuration 5A,5B,5C,5D et une boîte froide 7A,7B,7C,7D, les appareils étant substantiellement identiques. Les appareils de séparation d'air peuvent recevoir de l'air de quatre 15 compresseurs d'air 3A, 3B, 3C, 3D reliés par une conduite commune 9, de sorte qu'ils puissent alimenter tous les appareils de séparation d'air. Selon une première marche, l'unité consommatrice de gaz riche en oxygène 3 reçoit ce gaz d'au plus trois des appareils de séparation d'air. Pendant cette première marche, le coût de l'électricité dépasse un premier seuil tarifaire et 20 coûte cher. Il est donc désirable de réduire le plus possible la consommation d'électricité pendant cette marche. Dans ce but, on fait fonctionner au plus trois des appareils de séparation d'air, voire au plus deux des appareils de séparation d'air où préférentiellement on ne fait fonctionner qu'au plus trois compresseurs d'air, voire au plus deux compresseurs d'air, les boîtes froides fonctionnant en 25 marche réduite. De l'air des deux ou trois compresseurs en marche est envoyé aux deux ou trois appareils de séparation d'air et se distille dans les colonnes placées dans les boîtes froides pour former un gaz riche en oxygène sous basse pression. Cette pression dépasse rarement 5 bars abs. L'oxygène peut être soutiré sous 30 forme gazeuse de la colonne basse pression d'une double colonne. Les doubles colonnes peuvent être des appareils ayant deux condenseurs dans la colonne basse pression, de manière connue. Il est également possible de vaporiser un 7 liquide soutiré de la colonne en prenant les précautions habituelles pour une vaporisation à basse pression. Pour compenser la différence entre l'oxygène gazeux distillé dans les colonnes et la consommation en oxygène de l'unité consommatrice 3, de l'oxygène liquide 13 est envoyé du système de stockage 2 vers les appareils de séparation d'air en fonctionnement, de sorte que leurs frigories soient utilisées intelligemment dans les appareils. L'oxygène gazeux ainsi formé devient une partie du gaz riche en oxygène 17 envoyé à l'unité consommatrice 3. Pendant cette première marche, de préférence, aucun débit d'oxygène liquide n'est envoyé io des appareils de séparation d'air vers le système de stockage. Eventuellement un débit d'oxygène liquide ne dépassant pas 1%, de préférence 2%, voire 5 % de l'air peut être envoyé des appareils de séparation d'air vers le système de stockage. Pendant la deuxième marche, l'unité consommatrice 3 ne fonctionne pas et 15 donc aucun débit de gaz riche en oxygène n'est envoyé vers cette unité ou le débit envoyé vers l'unité ne dépasse pas 2% de l'air envoyé aux appareils de séparation d'air. Dans ce cas, le coût de l'électricité est en dessous d'un deuxième seuil tarifaire, le deuxième seuil tarifaire étant plus bas que le premier seuil tarifaire et l'électricité est donc comparativement bon marché. 20 Ici il est intéressant de faire fonctionner plus d'appareils de séparation d'air et/ou plus de compresseur d'air que pendant la première marche. Ainsi si deux appareils fonctionnaient pendant la première marche, pendant la deuxième marche, trois ou quatre appareils fonctionnent et si trois appareils fonctionnaient pendant la première marche, pendant la deuxième marche, quatre appareils 25 fonctionnent. De même pour les compresseurs, si deux compresseurs fonctionnaient pendant la première marche, pendant la deuxième marche, trois ou quatre compresseurs fonctionnent et si trois compresseurs fonctionnaient pendant la première marche, pendant la deuxième marche, quatre compresseurs fonctionnent. 30 Selon la deuxième marche, la production d'oxygène gazeux par les appareils de séparation devient marginale, voire inexistante. La production d'oxygène gazeux peut représenter jusqu'à 1%, de préférence 2%, voire 5% de l'air d'alimentation, cet oxygène étant mis à l'air. Par contre, les appareils de 8 séparation d'air produisent tous de l'oxygène liquide 11 qui est envoyé au système de stockage 2. Le système de stockage 2 se remplit en oxygène liquide pendant la deuxième marche mais pas pendant la première et se vide en oxygène liquide pendant la première marche mais pas pendant la première. Il est toutefois possible de vider de toutes petites quantités de liquide du stockage pendant la deuxième marche. La tenue en froid de l'appareil pendant la deuxième marche est assurée partiellement par un envoi d'azote liquide et/ou d'air liquéfié à l'appareil ou aux appareils de séparation d'air. Cet envoi d'azote liquide et/ou d'air liquéfié n'a pas lieu pendant la première marche et de préférence l'azote liquide et/ou air liquéfié est produit pendant la première marche et envoyé au système de stockage 2. L'azote liquide et/ou l'air liquide peut être envoyé au moins en partie à une colonne de l'appareil, un pot séparateur ou un échangeur de l'appareil. 20 25 30 10 15 20 25 Revendications1. Procédé d'opération d'une installation comprenant au moins un appareil de séparation d'air (1), un système de stockage (2) et une unité (3) consommatrice d'un gaz riche en oxygène comprenant une unité de combustion de combustibles carbonés ou d'une unité de gazéification, l'unité consommatrice étant capable de générer de l'électricité au moins selon une première marche, dans lequel l'installation fonctionne suivant plusieurs marches, a) selon la première marche, pendant laquelle le coût de l'électricité est supérieur à un premier seuil tarifaire, l'unité consommatrice reçoit une quantité de gaz riche en oxygène, supérieure à un premier seuil de consommation, provenant du ou au moins certains des appareils de séparation d'air, le gaz riche en oxygène constitué en partie par de l'oxygène stocké dans le système de stockage, qui est alimenté par le ou les appareils de séparation d'air pendant une deuxième marche, et en partie par de l'oxygène produit par distillation pendant la première marche et b) selon la deuxième marche, pendant laquelle le coût de l'électricité est inférieur à un deuxième seuil tarifaire, le deuxième seuil tarifaire étant inférieur au premier seuil tarifaire, l'unité consommatrice consomme une quantité de gaz riche en oxygène en dessous d'un deuxième seuil de consommation, le deuxième seuil étant inférieur au premier seuil, la quantité pouvant être zéro, de l'air se sépare dans le ou au moins un des appareils de séparation d'air et un liquide riche en oxygène est envoyé de l'appareil de séparation ou du au moins un appareil de séparation au système de stockage. 30 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le nombre de moles d'oxygène dans le liquide riche en oxygène stockée pendant la totalité de la i0 deuxième marche est inférieure au nombre de moles d'oxygène envoyé comme gaz riche en oxygène à l'unité consommatrice pendant la première marche. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la consommation de gaz riche en oxygène pendant la première marche est substantiellement constante. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité d'air envoyée à l'appareil (aux appareils) de séparation d'air pendant la première marche correspond à une production d'oxygène inférieure d'au moins io 15% , de préférence d'au moins 25%, voire d'au moins 40%, à la production d'oxygène gazeux envoyée à l'unité consommatrice. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel la différence entre la production de gaz riche en 'oxygène correspondant à la quantité d'air envoyée à 15 l'appareil et la consommation de gaz riche en oxygène envoyé à l'unité consommatrice (3) correspond à au moins une partie de la quantité d'oxygène liquide stockée pendant la deuxième marche. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le 20 nombre d'appareils de séparation (1) fonctionnant pendant la première marche est inférieur au nombre d'appareils fonctionnant pendant la deuxième marche. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le nombre de compresseurs d'air (3A, 3B, 3C, 3D) fonctionnant pendant la première 25 marche est inférieur au nombre de compresseurs d'air fonctionnant pendant la deuxième marche. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité d'oxygène liquide envoyée de l'appareils ou des appareils de séparation 30 d'air (1) vers le système de stockage (2) pendant la première marche ne dépasse pas 1%, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (aux appareils de séparation d'air) et/ou la quantité d'oxygène liquide envoyée du système de stockage vers l'appareil ou les appareils de Il séparation d'air pendant la deuxième marche ne dépasse pas 1 %, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (aux appareils de séparation d'air). 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la quantité d'oxygène gazeux soutiré de l'appareils ou des appareils de séparation d'air (1) pendant la deuxième marche ne dépasse pas 1%, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil de séparation d'air (aux appareils de séparation d'air). io 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel pendant la deuxième marche et de préférence pas pendant la première marche, de l'azote liquide et/ou de l'air liquide est envoyé vers le ou les appareils de séparation d'air, l'azote liquide et/ou l'air liquide étant produit(s) pendant la première marche, et de préférence pas pendant la deuxième marche, par le ou les 15 appareils de séparation d'air.