CA2789830A1 - Procede et appareil integres de separation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air provenant d'un appareil de separation d'air - Google Patents

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Richard Dubettier-Grenier
Jean-Pierre Tranier
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Abstract

Appareil intégré de séparation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air, produit par la séparation d'air, comprenant un appareil de séparation d'air (9), un échangeur de chaleur (13, 43), une conduite pour y envoyer le gaz de l'air et une condu ite pour y envoyer de l'eau, la condu ite pour envoyer l'eau à l'échangeur de chaleur étant reliée à l'entrée d'eau ou la sortie d'eau d'un échangeur de préchauffage d'eau (5) ou d'un dégazeur d'eau (27), l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur étant relié(s) à une chaudière (19) d'oxycombustion pour y envoyer de l'eau et pour recevoir de l'eau provenant de la chaudière, la chaudière étant reliée également à l'appareil de séparation pour recevoir un gaz enrichi en oxygène (17).

Description

Procédé et appareil intégrés de séparation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air provenant d'un appareil de séparation d'air La présente invention est relative à un procédé et à un appareil intégré
de séparation d'air et 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 boite froide ;
= de préchauffer l'oxygène injecté dans une chaudière 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 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 ET au bout froid. Même en récupérant la chaleur des condensats de la vapeur (on aurait alors un ET 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 préchauffe d'oxygène envoyé à l'oxycombustion :
= 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.
2 Dans ce dernier cas, on peut avoir un échangeur gaz/gaz (air/O2), mais 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 intégré de séparation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air, produit par la séparation d'air, comprenant un appareil de séparation d'air, un échangeur de chaleur, une io conduite pour envoyer le gaz de l'air à l'échangeur de chaleur et une conduite pour y envoyer de l'eau, la conduite pour envoyer l'eau à l'échangeur de chaleur étant reliée à l'entrée d'eau ou à la sortie d'eau d'un échangeur de préchauffage d'eau et/ou à l'entrée d'eau ou la sortie d'eau d'un dégazeur d'eau, l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur étant relié(s) à une chaudière d'oxycombustion pour y envoyer de l'eau et pour recevoir de l'eau provenant de la chaudière, la chaudière étant reliée également à l'appareil de séparation pour recevoir un gaz enrichi en oxygène.
Selon d'autres aspects facultatifs :
-la conduite envoyant l'eau à l'échangeur de chaleur est reliée à la sortie d'eau préchauffée de l'échangeur de préchauffage d'eau ou à la sortie d'eau dégazée du dégazeur d'eau.
- le gaz de l'air est le gaz enrichi en oxygène et une conduite relie l'échangeur de la chaleur à la chaudière pour y envoyer le gaz enrichi en oxygène chauffé.
- il y a une conduite reliant l'échangeur de chaleur avec l'entrée d'eau à
préchauffer de 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.
- il y a une conduite d'amenée de vapeur d'eau reliée à la conduite d'eau en amont de l'échangeur de chaleur pour augmenter la température de l'eau, soit par injection directe dans l'eau, soit par échange indirect avec l'eau.
- un appareil de séparation d'air comprenant une conduite d'amenée d'air comprimé, une unité d'épuration et une boite froide, contenant un système de colonnes de distillation, une conduite de production d'un gaz riche en azote reliant la boite froide et l'unité d'épuration et dans lequel l'échangeur de chaleur
3 est relié à la conduite de production de sorte que le gaz riche en azote se réchauffe en amont de l'unité d'épuration.
- l'appareil de séparation d'air comprend 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 et/ou une conduite de gaz de l'air provenant de la boite froide afin d'assurer le chauffage d'eau destinée à la chaudière et éventuellement au dégazeur.
- l'appareil comprend des moyens pour envoyer l'eau préchauffée dans io l'échangeur de préchauffage au dégazeur et des moyens pour envoyer l'eau préchauffée et dégazée du dégazeur à la chaudière.
Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé intégré de séparation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air produit par séparation d'air dans lequel on sépare de l'air dans un appareil de séparation d'air, un gaz enrichi en oxygène est envoyé de l'appareil de séparation d'air à une chaudière, un gaz de l'air provenant de l'appareil de séparation d'air est chauffé par échange de chaleur indirect avec de l'eau, sous forme de liquide à préchauffer ou préchauffée prélevée en aval d'un échangeur de préchauffage d'eau et/ou avec de l'eau sous forme de liquide à dégazer ou dégazée d'un dégazeur d'eau, l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur traitant de l'eau destinée à et provenant d'une chaudière (19) d'oxycombustion, l'eau utilisée pour préchauffer l'air étant de préférence à une température entre 100 et 200 C.
Eventuellement :
- l'eau utilisée pour chauffer le gaz de l'air a été chauffée dans l'échangeur de préchauffage et éventuellement dégazée dans le dégazeur.
- on comprime de l'air destiné à l'appareil de séparation d'air dans un compresseur et on refroidit l'air dans l'échangeur de préchauffage par échange de chaleur avec l'eau provenant de la chaudière.
- on comprime l'air dans un compresseur, on l'épure ensuite dans une unité d'épuration et on régénère l'unité d'épuration avec de l'azote, provenant de l'appareil de séparation d'air, qui a été chauffé par l'eau dans l'échangeur de chaleur.
- tout l'air comprimé dans le compresseur est envoyé à la séparation d'air.
4 - on renvoie l'eau refroidie dans l'échangeur de chaleur à l'échangeur de préchauffer pour l'y préchauffer.
- l'eau envoyée à l'échangeur de chaleur est à une pression entre 5 et 20 bars absolus.
- au moins une partie de l'eau dégazée dans le dégazeur est renvoyée directement à la chaudière.
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 io température T en ordonnées pour le chauffage d'azote résiduaire WN2, le ET
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 comprenant un compresseur 1, un échangeur 5, une unité d'épuration 6 et une boîte froide 9. Tout 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 et provenant d'une chaudière d'oxycombustion 19 alimentée par de l'oxygène 17 et un carburant (non-illustré). La chaudière produit des fumées (non-illustrées) qui sont recyclés ou traités. L'air refroidi est épuré dans l'unité
d'épuration 6 pour former de l'air épuré 7 puis est séparé dans la boite froide 9 contenant un échangeur et un système de colonnes. De la boite 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
3o 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
5 PCT/FR2011/050445 température jusqu'à la température requise) ou en amont de cet échangeur 5.
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 21 sortant de la chaudière 19 à entre 25 et 600C est pompée à une basse pression par la 5 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.
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. Tout l'air 3, comprimé dans le compresseur, est refroidi dans io 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 boite froide 9 contenant un échangeur et un système de colonnes. De la boite 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 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 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 21 sortant de la chaudière 19 à entre 25 C et 60 C 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.
L'appareil selon l'invention n'implique pas de turbine à gaz et tout l'air du compresseur de l'appareil de séparation d'air est envoyé à la séparation.

Claims (15)

1. Appareil intégré de séparation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air, produit par la séparation d'air, comprenant un appareil de séparation d'air (9), un échangeur de chaleur (13, 43), une conduite pour y envoyer le gaz de l'air et une conduite pour y envoyer de l'eau, la conduite pour envoyer l'eau à
l'échangeur de chaleur étant reliée à l'entrée ou à la sortie d'eau d'un échangeur de préchauffage d'eau (5) et/ou à l'entrée d'eau ou la sortie d'eau d'un dégazeur d'eau (27), l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur étant relié(s) à une chaudière (19) d'oxycombustion pour y envoyer de l'eau et pour recevoir de l'eau provenant de la chaudière, la chaudière étant reliée également à l'appareil de séparation pour recevoir un gaz enrichi en oxygène (17).
2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel la conduite envoyant l'eau à l'échangeur de chaleur (13, 43) est à la sortie d'eau préchauffée de l'échangeur de préchauffage d'eau (5) ou à la sortie d'eau dégazée du dégazeur d'eau (27).
3. Appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz de l'air est le gaz enrichi en oxygène et une conduite relie l'échangeur de la chaleur à la chaudière (19) pour y envoyer le gaz enrichi en oxygène chauffé.
4. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant une conduite reliant l'échangeur de chaleur (13, 43) avec l'entrée d'eau à
préchauffer de 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 l'une des revendications précédentes 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 dans l'eau, soit par échange indirect avec l'eau.
6. 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 (9), contenant un système de colonnes de distillation, une conduite de production (11) 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.
7. Appareil tel que revendiqué dans les revendications 1 à 6 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 (5) étant relié à la conduite d'amenée d'air comprimé et/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 (27).
8. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant des moyens pour envoyer l'eau préchauffée dans l'échangeur de préchauffage au dégazeur (27) et des moyens pour envoyer l'eau préchauffée et dégazée du dégazeur à la chaudière.
9. Procédé intégré de séparation d'air et de chauffage d'un gaz de l'air produit par séparation d'air dans lequel on sépare de l'air dans un appareil de séparation d'air, un gaz enrichi en oxygène est envoyé de l'appareil de séparation d'air à une chaudière d'oxycombustion, un gaz de l'air provenant de l'appareil de séparation d'air est chauffé par échange de chaleur indirect avec de l'eau, sous forme de liquide à préchauffer ou préchauffée prélevée en amont ou en aval d'un échangeur de préchauffage d'eau (5) et/ou avec de l'eau sous forme de liquide à dégazer ou dégazée d'un dégazeur d'eau (27), l'échangeur de préchauffage et/ou le dégazeur traitant de l'eau destinée à et provenant de la chaudière (19) d'oxycombustion, l'eau utilisée pour préchauffer l'air étant de préférence à une température entre 100 et 200°C.
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel l'eau utilisée pour chauffer le gaz de l'air a été chauffée dans l'échangeur de préchauffage (5) et éventuellement dégazée dans le dégazeur (27).
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel on comprime de l'air destiné à l'appareil de séparation d'air dans un compresseur et on refroidit l'air dans l'échangeur de préchauffage par échange de chaleur avec l'eau provenant de la chaudière.
12. Procédé selon la revendication 9, 10 ou 11 dans lequel on comprime l'air dans un compresseur, on l'épure ensuite dans une unité
d'épuration et on régénère l'unité d'épuration avec de l'azote, provenant de l'appareil de séparation d'air, qui a été chauffé par l'eau dans l'échangeur de chaleur.
13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12 dans lequel tout l'air comprimé dans le compresseur est envoyé à l'appareil de séparation d'air.
14. Procédé selon l'une des revendications 9 à 13 dans lequel on renvoie l'eau refroidie dans l'échangeur de chaleur à l'échangeur de préchauffer pour l'y préchauffer.
15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14 dans lequel l'eau (29) envoyée à l'échangeur de chaleur est à une pression entre 5 et 20 bars absolus.
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