Brevet FR3015635A1 — publié le 20150626

La présente invention concerne un procédé d'oxycombustion intégrant la production ou génération d'oxygène. Il est connu d'extraire de l'oxygène d'un gaz tel que l'air au moyen de membranes de transport ioniques (MTI), aussi appelées « électrolytes solides » (en anglais « Ion Transport Membranes » ou IMT). Lesdites MTI sont capable d'ioniser les molécules d'oxygène présentes dans l'air qui entre en contact avec une première face de la MTI, de sélectivement transporter les ions d'oxygène à travers la MTI et de reconstituer des molécules d'oxygène à partir desdits ions d'oxygène sur la face de la membrane à l'opposé de la première face (dans le sens de déplacement des ions d'oxygène). Il est également connu d'utiliser de l'oxygène ainsi produit en tant que comburant pour la combustion d'un combustible et la production de chaleur. De WO-A-2011/015616, il est connu un procédé d'opération d'un four de fusion de verre dans lequel les brûleurs sont alimentés, d'une part en combustible et, d'autre part en oxygène chaud directement issu d'un extracteur d'oxygène à MTI. Selon WO-A2011/015616, si l'apport en oxygène de l'extracteur ne suffit pas, un apport supplémentaire d'oxygène est effectué directement au niveau du brûleur. Les fumées sortant du four de fusion sont passées dans un premier échangeur de chaleur, dit échangeur primaire, pour le réchauffage d'un fluide caloporteur, notamment de l'air. L'air ainsi réchauffé alimente une série d'échangeurs de chaleur secondaires dans lesquels circule de l'air comprimé, typiquement à une pression de l'ordre de 1,5 à 2.106 Pa. Après passage dans les échangeurs secondaires, l'air comprimé présente une température de 500°C à 550°C. Cet air comprimé chaud peut être encore réchauffé dans une chaudière pour atteindre des températures plus élevées, par exemple de l'ordre de 900°C. L'air comprimé chaud ainsi obtenu passe sur l'extracteur à MTI pour la production d'oxygène et l'oxygène ainsi extrait de l'air chaud comprimé est dirigé directement sur un brûleur. L'air appauvri en oxygène peut être utilisé pour activer une turbine pour la production de l'air comprimé introduit dans l'extracteur à MTI. Comme indiqué dans WO-A-2011/015616, les propriétés d'oxygène chaud, tel qu'il sort de l'extracteur à MTI, impose des limites pratiques aux dispositifs dans lesquels l'oxygène chaud circule. Il est donc particulièrement indiqué d'utiliser l'oxygène immédiatement après son extraction et donc de localiser l'extracteur à MTI à proximité des brûleurs du four afin de limiter le parcours suivi par l'oxygène jusqu'au brûleur pour limiter les risques de dégradation des dispositifs en contact avec cet oxygène. La nécessité, par souci de sécurité, de localiser chaque extracteur à proximité du brûleur associé limite fortement l'intérêt du procédé décrit dans WO-A-2011/015616. En effet, le voisinage immédiat d'un four de fusion de verre est généralement très encombré, en particulier au niveau des brûleurs, notamment avec les dispositifs d'alimentation en comburant et les dispositif d'alimentation en combustible des brûleurs et le cas échéant desdispositifs pour le préchauffage du comburant et/ou du combustible en amont des brûleurs. Malgré cet encombrement, il reste nécessaire d'assurer un accès aisé auxdits brûleurs afin de permettre leur entretien et réparation. De plus, les fours de fusion comportent souvent un grand nombre de brûleurs. La réalisation d'extracteurs d'oxygène à MTI de petites dimensions, unitaires pour chaque brûleurs augmente le coût considérablement le coût des installations. Par conséquent, le design actuel des fours ne permet généralement pas l'implantation d'extracteurs d'oxygène à MTI immédiatement en amont des brûleurs comme proposé dans WO-A-2011/015616, tandis que, comme également expliqué dans WO-A-2011/015616, une implantation de l'extracteur à MTI à plus grande distance du brûleur pose un problème de sécurité généralement inacceptable pour l'opérateur du four lié au transport d'oxygène à température élevée. La présente invention à pour but de remédier au moins partiellement aux problèmes décrits ci-dessus. La présente invention propose plus particulièrement un procédé de chauffe par oxycombustion dans lequel un combustible est brûlé avec un comburant riche en oxygène dans une chambre de combustion avec génération de chaleur et de fumées dans la chambre de combustion. Les fumées générées sont évacuées de la chambre de combustion, lesdites fumées évacuées contenant de la chaleur résiduelle. Suivant l'invention, on chauffe un flux d'air au moyen d'au moins une partie de la chaleur résiduelle présente dans les fumées évacuées. On obtient ainsi un flux d'air chaud 30 ayant une température TA1. La température TA1 est choisie de manière à permettre une extraction d'oxygène de l'air chaud par MTI. Au moins une partie du flux d'air chaud est introduite dans une unité de production d'oxygène dans lequel on extrait une portion de l'oxygène présent dans ladite au moins une partie du flux d'air chaud au moyen d'une ou des MTI. De cette manière, on obtient un premier flux d'oxygène à une température TO1 et un flux d'air appauvri en oxygène ayant une température TA2, avec TA2 Suivant l'invention, ladite au moins une partie du flux global d'oxygène est chauffé directement en amont de la chambre de combustion à une température TOf, avec TOf> T02. Par « chaleur résiduelle, on comprend la chaleur qui est évacuée d'une chambre de combustion avec les fumées générées par la combustion dans la chambre. Par comburant ou gaz « riche en oxygène » ou simplement « riche », on comprend un comburant ou gaz ayant une teneur en oxygène supérieure 60%vol. Suivant l'invention, on utilise ainsi la chaleur résiduelle des fumées évacuées afin de chauffer un flux d'air jusqu'à une température TA1 permettant une extraction d'oxygène par MTI à un niveau industriel. En aval de l'unité de production, le premier flux d'oxygène présente une température élevée telle que le transport de ce premier flux d'oxygène poserait un problème de sécurité. En mélangeant, suivant l'invention, le premier flux avec un deuxième flux d'oxygène, il est possible de réaliser un flux global d'oxygène ayant une température TO2 plus basse, ce qui permet le transport en sécurité du flux global, sans toutefois qu'on perde l'énergie thermique présente dans le premier flux d'oxygène à la sortie de l'unité de production. L'apport d'un deuxième flux d'oxygène venant d'une source autre que l'unité de production permet également d'éviter des problèmes dus à la capacité de production limitée de la plupart des unités de production d'oxygène à base de MTI. Le chauffage du flux d'air au moyen de chaleur résiduelle présente dans les fumées évacuées peut être réalisé dans un récupérateur ou échangeur de chaleur. Suivant une forme d'exécution avantageuse de l'invention, le flux d'air chaud, dont au moins une partie, voire la totalité, est introduite dans l'unité de production d'oxygène, présente un température TA1 de 700°C à 1000°C, de préférence de 750°C à 950°C et encore de préférence de 800 °C à 900°C, Ces températures facilitent l'extraction d'oxygène par MTI. La au moins une partie du flux d'air chaud présente de préférence une pression PA1 de 1 bar ab à 6 bar ab à l'entrée de l'unité de production d'oxygène, de préférence de 1 bar ab à 3 bar ab et encore de préférence de 1 bar ab à 2 bar ab La portion d'oxygène extrait de la au moins une partie du flux d'air chaud peut correspondre à entre 10 % et 100 %, de préférence entre 20% et 70%, encore de préférence entre 20% et 50 % de l'oxygène présent dans ladite au moins une partie du flux d'air chaud. Bien qu'une extraction aussi complète que possible de l'oxygène est souhaité, une extraction partielle est souvent plus rentable et donc préférable dans un contexte industriel. Le premier flux d'oxygène issu de l'unité de production peut correspondre à entre 90% et 0%vol, de préférence entre 90% et 15%vol, encore de préférence entre 80% et 20%vol, voire entre 80% et 30%vol, et encore de préférence entre 80% et 50%vol du flux global d' oxygène. Suivant l'invention, l'utilisation d'un flux global ne contenant pas d'oxygène issu de l'unité de production et consistant donc entièrement d'oxygène venant d'une autre source est exceptionnelle et limitée dans le temps (et non pas pendant la durée totale du procédé). Toutefois, un tel flux global consistant entièrement permet un fonctionnement continu de la chambre de combustion malgré un arrêt ou défaillance de l'unité de production d'oxygène. Le deuxième flux d'oxygène est fourni par une unité de séparation des gaz de l'air, telle qu'une PSA (c'est-à-dire une installation connue sous la dénomination anglaise « Pressure Swing Adsorption ») ou une VPSA (c'est-à-dire une installation connue sous la dénomination anglaise « Vacuum Pressure Swing Adsorption », un réservoir d'oxygène liquéfié ou une canalisation d'oxygène gazeux ou liquéfié. La présente invention est particulièrement utile pour des procédés utilisant un comburant riche préchauffé. Dans le présent contexte, le terme « préchauffage » se réfère au chauffage d'un produit, tel qu'un combustible, un comburant ou encore une charge à chauffer ou fondre, avant son introduction dans la chambre de combustion. Suivant l'invention la au moins une partie du flux global d'oxygène est avantageusement chauffée à une température TOf entre 250°C et 620°C, de préférence entre 300°C et 600°C et encore de préférence entre 350°C et 580°C directement en amont de la chambre de combustion, c'est-à-dire directement en amont de brûleurs ou lances dont est équipée la chambre de combustion et qui sont utilisés pour l'injection d'oxygène préchauffé dans la chambre de combustion. On utilise avantageusement le flux d'air appauvri en oxygène pour le préchauffage de la au moins une partie du flux global d'oxygène, par exemple par échange thermique entre l'air appauvri et la au moins une partie du flux global dans un échangeur de chaleur. En effet, en fonction de la température TA1 de l'air à l'entrée de l'unité de production d'oxygène, le flux d'air appauvri à la sortie de cette unité de production d'oxygène peut présenter une température TA2 de 400°C à 750°C, de préférence de 450°C à 700°C et encore de préférence de 500°C et 650°C. Ce flux d'air' appauvri en oxygène présente donc une énergie thermique qui peut de manière utile être utilisée pour augmenter le rendement énergétique du procédé. Ainsi, suivant une forme de réalisation, la au moins une partie du flux global d'oxygène est chauffée directement en amont de la chambre de combustion par échange thermique avec le flux d'air appauvri en oxygène issu de l'unité de production d'oxygène. Il est également avantageux de préchauffer au moins une partie du combustible brûlé dans la chambre de combustion. Dans ce cas, il est préférable qu'au moins une partie du combustible brûlé dans la chambre de combustion soit préchauffée en amont de la chambre de combustion par échange thermique avec le flux d'air appauvri en oxygène issu de l'unité de production d'oxygène, typiquement dans un échangeur de chaleur. Par « échangeur de chaleur » ou « échangeur », on comprend une installation ou un dispositif dans lequel deux fluides de températures différentes circulent dans des enceintes distinctes et transmettent de la chaleur de l'une des deux fluides (fluide la plus chaude) à l'autre des deux fluides (fluide la moins chaude) à travers une ou des parois séparant les deux enceintes. Ceci n'exclut toutefois pas l'utilisation d'autres sources de chaleur pour le préchauffage de l'oxygène et/ou du combustible, seule ou, de préférence, en combinaison avec un échange thermique avec le flux d'air appauvri en oxygène. Le procédé suivant l'invention est utile et avantageux pour toute chambre de combustion à haute température. La chambre de combustion peut ainsi être une chambre de fusion, telle qu'une chambre de fusion de métaux ou, de préférence, une chambre de fusion de matière vitrifiable. Un exemple d'une telle chambre de fusion est une chambre de fusion de verre de type « float ». La chambre peut aussi être une chambre de calcination, par exemple pour la calcination de ciment ou encore une chambre de réchauffage, comme notamment les chambres de réchauffages d'acier. On note que le terme « chambre de combustion » n'est pas limité à des chambre statiques de combustion, mais couvre également les chambres rotatives de combustion. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lumière de l'exemple ci-après d'un procédé suivant l'invention et d'une installation adaptée pour la mise en oeuvre d'un tel procédé, référence étant faite à la figure 1 qui est une représentation schématique d'une telle installation pour la fusion de verre adaptée à la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Ladite 'installation comporte une chambre de combustion 100, plus particulièrement une chambre de fusion ou de fusion/affinage de verre, munie d'un ou plusieurs bruleurs 200 adapté pour la combustion d'un combustible riche en oxygène et préchauffé. L'installation comporte également un réseau de distribution de comburant riche en oxygène pour l'alimentation desdits brûleurs 200 en comburant, ainsi qu'un réseau de distribution de combustible pour l'alimentation desdits brûleurs 200 en combustible (par exemple, du gaz naturel). Bien qu'un seul brûleur est représenté dans la figure, la chambre de combustion comporte typiquement plusieurs, voire un grand nombre de brûleurs, par exemple dans le cas d'un four de fusion de type « float ». Les fumées générées par la combustion sont évacuées de la chambre de combustion 100 et envoyées dans un circuit d'évacuation des fumées 11. Un ou des échangeurs de chaleurs 10, dits échangeurs primaires, sont placés sur le circuit d'évacuation des fumées 11 en aval de la chambre de combustion 100. Dans l'échangeur primaire 10, une partie de la chaleur résiduelle des fumées évacuées est transférée à un flux d'air 21, avec obtention d'une part, d'un flux d'air chaud 22 et, d'autre part, d'un flux de fumées évacuées tempérées 12. L'air chaud atteint une température de l'ordre 700°C et jusqu'à 900°C, voire jusqu'à 950°C en sortie d'un l'échangeur primaire 10. Le flux d'air chaud 22 est ainsi porté à un niveau de température à laquelle l'extraction de l'oxygène sur une MTI peut être réalisée à l'échelle industrielle. Il est à une pression proche de l'atmosphérique. Ce flux d'air chaud 22 est introduit dans une unité de production d'oxygène par extraction au moyen de MTI céramique 20 avec une capacité de 1 à 100 tonnes d'oxygène par jour. A ces pressions et avec une surface de membrane adaptée, le rendement d'extraction est, par exemple, de l'ordre 50%. On obtient ainsi à la sortie de l'unité de production 20 un premier flux d'oxygène 50 ainsi qu'un flux d'air appauvri en oxygène 23. Le premier flux d'oxygène 50 produit à partir de MTI est chaud, avec une température TOI de l'ordre de 900°C. Cet oxygène chaud 50 est directement injecté dans un réseau de distribution d'oxygène où il est mélangé avec de l'oxygène plus froide 60 issu d'une autre source d'oxygène (telle qu'une USA (unité de séparation des gaz de l'air, en anglais : ASU (air separation unit), une VSA (vacuum swing adsorption = adsorption avec mise sous vide), un réservoir de LOX (oxygène liquide) ou circuit d'oxygéne gazeux). On obtient ainsi un flux global d'oxygène 70 contenant de 20 à 25%vol (et jusqu'à 50%vol) d'oxygène issue de l'unité de production d'oxygène à MTI et de 75 à 80%vol (et jusqu'à 50%vol) d'oxygène issu de l'autre source d'oxygène. L'oxygène chaud produit à partir de MTI est ainsi refroidi sans perte d'énergie pour l'installation et peut sans risque être transporté dans le réseau de distribution d'oxygène dont les matériaux n'ont pas à résister aux conditions très agressives de l'oxygène à très haute température. Le mélange d'oxygène de différentes sources ainsi obtenu est alors utilisé comme comburant riche en oxygène pour générer la combustion du combustible dans la chambre de combustion/fusion 30. Suivant l'invention, il est possible d'optimiser la configuration de l'installation de fusion de verre en positionnant le ou les unités de productions d'oxygène 20 à l'endroit le plus approprié, même si celui se trouve à une distance des brûleurs 200 de la chambre de combustion 100 et il n'est pas nécessaire d'utiliser pour le transport du flux global d'oxygène 70 des matériaux généralement très onéreux qui résistent à l'oxygène à haute température.. Dans la forme d'exécution illustrée, la production d'oxygène par MTI est intégrée à une technologie de préchauffage d'oxygène et du combustible, par exemple du gaz naturel, pour l'alimentation des brûleurs oxycombustibles 200 de la chambre de combustion 100 de l'installation de fusion de verre. Une technologie de préchauffage d'oxygène similaire est notamment connue d'US-A-6071116. L'air appauvri en oxygène 21 issue de l'unité de production d'oxygène 20, qui présente une température TA2 de l'ordre de 450°C, est canalisé vers des échangeurs de chaleur secondaires 31 et 32. Dans le premier échangeur secondaire 31, une partie de l'air appauvri en oxygène 23 est utilisé pour le préchauffage du combustible 25, par exemple du gaz naturel, en amont des brûleurs 200 de la chambre de combustion 100. On obtient un flux de combustible préchauffé 26 qui est fourni aux brûleurs 200 et un premier flux tempéré d'air appauvri en oxygène 27. De manière analogue, dans le deuxième échangeur secondaire 32, une partie de l'air appauvri en oxygène 23 est utilisé pour le préchauffage d'au moins une partie du flux global d'oxygène 70 en amont desdits brûleurs 200. On obtient un flux d'oxygène préchauffé 71 qui est fourni aux brûleurs 200 et une deuxième flux tempéré d'air appauvri en oxygène 28. Un seul premier échangeur secondaire 31 et un seul deuxième échangeur secondaire 32 sont montrés dans la figure 1. Toutefois, l'installation peut comporter plusieurs premiers échangeurs secondaires 31 et plusieurs deuxièmes échangeurs secondaires 32. En particulier quand la chambre de combustion comporte un grand nombre de brûleurs 200, l'installation peut comporter un nombre de premiers échangeurs secondaires 31 et un nombre de deuxièmes échangeurs secondaires 32, chaque échangeur de chaleur 31 et 32 alimentant un nombre limité de brûleurs 200, voire un seul brûleur (200). Ceci permet notamment de limiter les canalisations pour le transport de combustible préchauffé, respectivement d'oxygène préchauffé. Bien que, suivant l'invention, l'oxygène produite à partir de MTI est refroidi en le mélangeant avec de l'oxygène d'une autre source, l'invention permet toutefois d'avoir une température de l'oxygène (mélange d'oxygène ou flux global d'oxygène) à l'entrée de l'échangeur secondaire 32, typiquement à une température d'environ 300°C, et ainsi de réduire la taille et le coût du ou des échangeurs secondaires 31 pour le préchauffage de l'oxygène. La présente invention permet ainsi d'utiliser la chaleur résiduelle des fumées évacuées de la chambre de combustion 100 pour la production d'oxygène et pour le préchauffage du combustible et d'un comburant riche en oxygène, d'optimiser la configuration de l'installation et de limiter l'utilisation de matériaux qui doivent résister à de l'oxygène chaud.25 REVENDICATIONS1) Procédé de chauffe par oxycombustion dans lequel : - un combustible est brûlé avec un comburant riche en oxygène dans une chambre de combustion (100) avec génération de chaleur et de fumées dans la chambre de combustion - les fumées générées (11) sont évacuées de la chambre de combustion (100), lesdites fumées évacuées contenant de la chaleur résiduelle, - un flux d'air (21) est chauffé au moyen d'au moins une partie de la chaleur résiduelle présente dans les fumées évacuées, avec obtention d'un flux d'air chaud (22) à une température TA1, - au moins une partie du flux d'air chaud (22) est introduite dans une unité de production d'oxygène (20) dans lequel on extrait une portion de l'oxygène présent dans ladite au moins une partie du flux d'air chaud (20) au moyen d'une ou des MTI, avec obtention d'un premier flux d'oxygène (50) à une température TOI et un flux d'air appauvri en oxygène (23) à une température TA2, avec TA2 T02. 2) Procédé de chauffe suivant la revendication 1, dans lequel le flux d'air chaud (22) présente un température TA1 de 700°C à 1000°C, de préférence de 750°C à 950°C et encore de préférence de 800 °C à 900°C. 30 3) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le flux d'air chaud (22) présente une pression PA1 de 1 bar ab à 6 bar ab à l'entrée de l'unité deproduction d'oxygène, de préférence de 1 bar ab à 3 bar ab et encore de préférence de 1 bar ab à 2 bar ab 4) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la portion d'oxygène extrait du au moins une partie du flux d'air chaud (22) correspond à entre % et 100 %, de préférence entre 20% et 70%, encore de préférence entre 20% et 50 % de l'oxygène présent dans ladite au moins une partie du flux d'air chaud. 5) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la 10 température TA2 du flux d'air appauvri en oxygène (23) de 400°C à 750°C, de préférence de 450°C à 700°C et encore de préférence de 500°C et 650°C 6) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier flux d'oxygène (50) correspond à entre 90% et 0%vol, de préférence entre 90% et 15%vol, encore de préférence entre 80% et 20%vol, voire entre 80% et 30%vol, et encore de préférence entre 80% et 50%vol du flux global d'oxygène (70). 7) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le deuxième flux d'oxygène (60) est fourni par une unité de séparation des gaz de l'air, un VSA, un réservoir d'oxygène liquéfié ou une canalisation d'oxygène gazeux. 8) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la au moins une partie du flux global d'oxygène (70) est chauffée à une température TOf entre 250°C et 620°C, de préférence entre 300°C et 600°C et encore de préférence entre 350°C et 580°C directement en amont de la chambre de combustion (100). 9) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la au moins une partie du flux global d'oxygène (70) est chauffée directement en amont de la chambre de combustion (100) par échange thermique avec le flux d'air appauvri en oxygène (23) issu de l'unité de production d'oxygène (20). 10) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie du combustible (25) brûlé dans la chambre de combustion (100) estpréchauffée en amont de la chambre de combustion (100) par échange thermique avec le flux d'air appauvri en oxygène (23) issu de l'unité de production d'oxygène (20). 11) Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la chambre de combustion (100) est une chambre de fusion, de préférence une chambre de fusion de matière vitrifiable, une chambre de calcination ou une chambre de réchauffage d'acier.