Brevet FR2983245A1 — publié le 20130531

La présente invention concerne un procédé et appareil d'alimentation en azote d'une chambre de combustion. Un appareil de séparation d'air est souvent utilisé pour alimenter en azote une chambre de combustion. Le carburant pour la chambre de combustion peut provenir d'une gaséification d'un combustible à l'oxygène, l'oxygène provenant également de l'appareil de séparation d'air. La présente invention propose une méthode pour saturer en eau et préchauffer l'azote au cours de sa compression avant introduction dans la chambre de combustion. Cette invention permet la récupération de chaleur de l'appareil de séparation d'air vers la chambre de combustion et la diminution en besoin d'azote. L'invention propose, en particulier, une méthode d'optimisation de l'efficacité d'une usine de production électrique par gazéification de charbon à l'oxygène et cycle combiné, ou IGCC en anglais. Le gaz de synthèse produit par la gazéification du charbon en présence d'oxygène est généralement épuré de ses impuretés (e.g. mercure, composés soufrés, CO2, ...) et dilué par un gaz inerte (i.e. non combustible ; e.g. azote, vapeur d'eau, CO2,...) avant ou après être mélangé à un flux d'air et être introduit (sous pression) dans une chambre de combustion de laquelle les fumées seront détendues à travers une turbine génératrice. Le rôle du gaz diluant est de limiter la vitesse de flamme dans la chambre de combustion, limiter le caractère oxydant du mélange gazeux et limiter les pics de température de flamme limitant ainsi la production d'oxydes d'azote à des teneurs conformes aux réglementations environnementales. Dans le cas d'une gazéification à l'oxygène, le gaz inerte de dilution du gaz de synthèse est classiquement l'azote co-produit par l'appareil de séparation d'air (ASU), souvent additionné de vapeur d'eau pour améliorer la capacité d'inertage du gaz de dilution en plus d'apporter une plus grande quantité de chaleur sensible à la turbine. En effet, la capacité d'inertage du gaz de dilution étant directement liée à sa capacité calorifique, l'addition de vapeur à l'azote co-produit de l'appareil permet une meilleure réduction des contraintes thermiques dans la chambre de combustion que l'utilisation d'azote seul (pour un même débit volumique de fumées vers la turbine). La vapeur est également utilisée pour préchauffer le gaz de synthèse et/ou le mélange de gaz diluant pour améliorer la productivité de la turbine génératrice. La présente invention propose une méthode de préchauffage et saturation de l'azote de dilution en minimisant voire en supprimant l'utilisation de vapeur, permettant de maximiser l'utilisation de la vapeur par ailleurs (e.g. production d'électricité), et de limiter la portion d'azote prélevée à l'appareil de séparation d'air devant être comprimé pour constituer le gaz de dilution. L'azote de dilution provenant de l'appareil de séparation d'air (par exemple à une pression de 4 bar abs) doit être comprimé pour atteindre la pression de la chambre de combustion (i.e. entre 15 et 100 bar abs) ; cette compression peut être faite par un compresseur radial multi-intégré entrainé par un moteur électrique ou par une turbine à vapeur. Au cours de la compression de l'azote de dilution, l'invention propose de saturer en vapeur d'eau l'azote de dilution au moyen de contacteurs gaz-liquide alimentés par l'azote et un flux d'eau sous forme liquide. De préférence, à la sortie de chaque étage de compression, l'azote de dilution est saturé en vapeur d'eau par ce moyen. A l'issue de la compression, l'azote peut être réchauffé par échange de chaleur avec un fluide chauffé au contact de l'air comprimé alimentant l'appareil de séparation d'air ; le niveau de température atteint par l'azote comprimé est ici de l'ordre de 200-250°C. L'azote peut alors être à nouveau enrichi en eau, voire saturé, par un nouveau contacteur gaz-liquide. Enfin, l'azote, éventuellement saturé en eau, peut être surchauffé (réchauffeur électrique ou à la vapeur ou échange avec un autre fluide de l'ASU), classiquement de 50°C à 100°C au dessus de son point de saturation avant d'être dirigé vers la chambre de combustion. Par ailleurs, le flux d'eau utilisé dans les contacteurs gaz-liquide pour la saturation peut être préchauffé par un fluide de l'ASU (comme de l'air en sortie du compresseur principal d'air ou d'un surpresseur d'air) jusqu'à une température de l'ordre de 150°C afin de maximiser la quantité d'eau introduite par saturation du flux d'azote. Cette optimisation est pertinente surtout pour les injections situées en aval des étages de compression. En effet, les contacteurs intermédiaires, servant à saturer en eau l'azote comprimé, ont également pour rôle de refroidir le gaz avant l'étage de compression suivant et ainsi améliorant l'efficacité de la compression. Préchauffer l'eau servant à la saturation de l'azote dans les étages de compression intermédiaires réduirait donc l'efficacité de la compression. Le débit d'eau alimentant les contacteurs gaz-liquide est ajusté de façon à ce qu'il n'y ait aucun condensat en sortie des contacteurs ; en effet, un débit supérieur à cette limite engendrerait des pertes thermiques, dégradant l'intérêt de l'invention. L'invention permet donc de produire un mélange préchauffé de gaz de dilution azote-vapeur d'eau sans prélèvement de vapeur ; la vapeur d'eau est donc avantageusement valorisée à la turbine génératrice (sauf celle éventuellement utilisée au surchauffeur), sans non plus prélèvement de chaleur sur le flux d'air sortant du turbocompresseur et alimentant la chambre de combustion. En résumé, cette invention peut permettre de transférer de la chaleur de l'appareil de séparation d'air vers la chambre de combustion de la turbine , de diminuer l'azote prélevé à l'appareil comme gaz de dilution et enfin de diminuer la charge massique vers la turbine alimentée par la chambre de combustion (à isoénergie) et maintenir les contraintes mécaniques du rotor dans les limites requises. Cette invention s'applique par exemple à une unité de gazéification de charbon ou de coke de pétrole ou de résidu lourd à l'oxygène (voire à l'air), avec ou sans système de capture de CO2. La solution proposée a été comparée à une solution où l'azote de dilution n'est pas dilué à la vapeur. Dans cet exemple, les contacteurs ont été placés en 25 sortie du premier et du deuxième étage de compression d'un compresseur à trois étages (pas de contacteurs en aval du dernier étage de compression). Pour une centrale IGCC de 450 MWe utilisant dans le cas de référence 204 000 Nm3/h d'azote de dilution, l'innovation proposée permet, à enthalpie constante, d'introduire 10 000 Nm3/h de vapeur se substituant à 13 000 Nm3/h 30 d'azote sous pression. Le gain électrique résultant sur les machines de l'unité de séparation d'air est d'environ 1,2 MW soit 0,3% de la production électrique totale de la centrale IGCC. Dans une variante de l'invention, l'azote issu de l'appareil de séparation d'air peut être aussi saturé en eau dès l'entrée du compresseur, ce qui permet de produire de l'eau glacée et permettre de réduire la consommation énergétique du groupe frigorifique en amont de l'unité de purification d'air par adsorption. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé d'alimentation en azote d'une chambre de combustion dans lequel : de l'azote gazeux est soutiré d'un appareil de séparation d'air à une première pression, l'azote est comprimé dans au moins deux étages d'un compresseur d'azote et envoyé à une chambre de combustion à une deuxième pression, qui est la pression de sortie du dernier 10 étage du compresseur d'azote caractérisé en ce qu'entre deux étages du compresseur d'azote, l'azote est humidifié par contact direct en passant dans un contacteur alimenté en tête par de l'eau et l'azote humidifié est comprimé dans au moins un étage du compresseur d'azote et envoyé à la chambre de combustion. Selon d'autres aspects facultatifs : 15 - toute l'eau envoyée au contacteur est transférée au flux gazeux d'azote. - l'eau envoyée au contacteur est à une température qui diffère au plus de 10°C, voire de 5°C, de la température ambiante. - l'eau envoyée au contacteur est à la température ambiante. 20 - l'azote est également humidifié dans un contacteur en aval du dernier étage du compresseur d'azote. - l'eau envoyée dans le contacteur en aval du dernier étage du compresseur d'azote est préchauffée par un flux de l'unité de séparation d'air. - l'azote est humidifié uniquement par contact direct avec de l'eau. 25 - un gaz de la chambre de combustion est détendu dans une turbine. - la chambre de combustion est alimentée par un carburant provenant d'une unité de gaséification, l'unité de gazéification étant alimenté par de l'oxygène gazeux provenant de l'appareil de séparation d'air. - seule une partie de l'eau envoyée au contacteur est transférée au flux 30 gazeux d'azote et l'eau excédentaire sortant du contacteur sous forme liquide est utilisée comme eau glacée dans l'unité de séparation d'air. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de compression d'azote comprenant un compresseur ayant au moins deux étages, au moins un contacteur à contact direct disposé pour recevoir de l'azote comprimé dans un étage du compresseur et pour envoyer de l'azote comprimé et humidifié au prochain étage du compresseur ainsi que des moyens pour envoyer de l'eau à l'au moins un contacteur et des moyens pour envoyer de l'azote comprimé et humidifié du dernier étage du compresseur à la chambre de combustion. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air intégré avec une turbine à gaz comprenant un appareil de séparation d'air, un appareil de compression d'azote provenant de l'appareil de séparation d'air, comprenant un compresseur ayant au moins deux étages, au moins un contacteur à contact direct disposé pour recevoir de l'azote comprimé dans un étage du compresseur et pour envoyer de l'azote comprimé et humidifié au prochain étage du compresseur ainsi que des moyens pour envoyer de l'eau à l'au moins un contacteur, une chambre de combustion, une turbine, des moyens pour envoyer un gaz de combustion de la chambre de combustion à la turbine et des moyens pour envoyer de l'azote comprimé et humidifié du dernier étage du compresseur à la chambre de combustion et/ou à la turbine. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux figures. Dans la Figure 1, un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur d'air 3 et puis séparé dans un appareil de séparation d'air 7 par distillation cryogénique. Si le but de l'invention est simplement de produire de l'azote, d'autres méthodes de séparation peuvent être utilisées. L'azote 9 est comprimé dans un compresseur à deux étages C1; C2. Entre les deux étages et en aval de l'étage Cl se trouve un contacteur 17 à contact direct alimenté en tête par de l'eau. Toute l'eau est transférée au flux gazeux d'azote qui est ensuite comprimé dans l'étage C2. L'azote comprimé et humidifié 19 est envoyé à une chambre de combustion 25. La chambre de combustion 25 est également alimentée par un gaz de synthèse 23 provenant d'un gaséifieur 13. Le gazéifieur reçoit éventuellement de l'oxygène 11 de l'appareil de séparation d'air 7 et un carburant 15, par exemple du gaz naturel, du charbon. Le gaz 27 produit par la chambre de combustion 25 est détendu dans une turbine pour fournir de l'électricité. Dans la Figure 2, l'azote est comprimé dans un compresseur à trois étages, avec un contacteur entre chaque paire d'étages et en aval du dernier étage. Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur d'air 3 et puis séparé dans un appareil de séparation d'air 7 par distillation cryogénique. Si le but de l'invention est simplement de produire de l'azote, d'autres méthodes de séparation peuvent être utilisées. L'azote 9 est comprimé dans un compresseur à trois étages C1, C2, C3. Entre les deux premiers étages et en aval du premier étage Cl se trouve un contacteur 17 à contact direct alimenté en tête par de l'eau. Toute l'eau est transférée au flux gazeux d'azote qui est ensuite comprimé dans l'étage C2. L'azote comprimé et humidifié 19 est envoyé à un deuxième contacteur 117 par contact direct où il est humidifié et ensuite comprimé dans l'étage C3. L'azote comprimé dans l'étage C3 est éventuellement envoyé à un troisième contacteur 217 pour être humidifié et est ensuite envoyé à une chambre de combustion 25 ou à une turbine qui détend un gaz de combustion produit par la chambre de combustion. L'eau envoyée au contacteur 217 peut éventuellement être préchauffée, éventuellement par échange de chaleur dans un échangeur 6 avec de l'air comprimé 1 envoyé à l'appareil 7, de l'air surpressé ou un autre débit chaud. Si l'eau servant à la saturation après dernier étage est plus chaude, elle va aussi préchauffer l'azote de dilution avant la chambre de combustion. La chambre de combustion 25 est également alimentée par un gaz de synthèse 23 provenant d'un gazéifieur 13. Le gazéifieur reçoit éventuellement de l'oxygène 11 de l'appareil de séparation d'air 7 et un carburant 15, par exemple du gaz naturel, du charbon. Le gaz 27 produit par la chambre de combustion 25 est détendu dans une turbine pour fournir de l'électricité.25 REVENDICATIONS1. Procédé d'alimentation en azote d'une chambre de combustion dans lequel : de l'azote gazeux (9) est soutiré d'un appareil de séparation d'air (7) à une première pression, l'azote est comprimé dans au moins deux étages (C1, C2, C3) d'un compresseur d'azote et envoyé à une chambre de combustion (25) à une deuxième pression, qui est la pression de sortie du dernier étage (C3) du compresseur d'azote caractérisé en ce qu'entre deux étages du compresseur d'azote, l'azote est humidifié par contact direct en passant dans un contacteur (17, 117) alimenté en tête par de l'eau et l'azote humidifié est comprimé dans au moins un étage du compresseur d'azote et envoyé à la chambre de combustion. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel toute l'eau envoyée au contacteur est transférée au flux gazeux d'azote. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'eau envoyée au contacteur (17, 117) est à une température qui diffère au plus de 10°C, voire de 5°C, de la température ambiante. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote est également humidifié dans un contacteur (217) en aval du dernier étage du compresseur d'azote. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel l'eau envoyée dans le contacteur (217) en aval du dernier étage du compresseur d'azote est préchauffée par un flux (1) de l'unité de séparation d'air. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'azote (9) est humidifié uniquement par contact direct avec de l'eau. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel un gaz de la chambre de combustion (25) est détendu dans une turbine. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la chambre de combustion (25) est alimentée par un carburant (23) provenant d'une unité de gazéification, l'unité de gazéification étant alimenté par de l'oxygène gazeux (11) provenant de l'appareil de séparation d'air (7). 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel seule une partie de l'eau envoyée au contacteur (17, 117, 217) est transférée au flux gazeux d'azote et l'eau excédentaire sortant du contacteur sous forme liquide est utilisée comme eau glacée dans l'unité de séparation d'air. 10. Appareil d'alimentation en azote d'une chambre de combustion comprenant un compresseur ayant au moins deux étages (C1, C2, C3), au moins un contacteur (17, 117) à contact direct disposé pour recevoir de l'azote comprimé dans un étage du compresseur et pour envoyer de l'azote comprimé et humidifié au prochain étage du compresseur ainsi que des moyens pour envoyer de l'eau à l'au moins un contacteur et des moyens pour envoyer de l'azote comprimé et humidifié du dernier étage du compresseur à la chambre de combustion.20