EP0932006A1 - Installation combinée d'un four et d'un appareil de distillation d'air et procédé de mise en oeuvre - Google Patents

Installation combinée d'un four et d'un appareil de distillation d'air et procédé de mise en oeuvre Download PDF

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EP0932006A1
EP0932006A1 EP99400150A EP99400150A EP0932006A1 EP 0932006 A1 EP0932006 A1 EP 0932006A1 EP 99400150 A EP99400150 A EP 99400150A EP 99400150 A EP99400150 A EP 99400150A EP 0932006 A1 EP0932006 A1 EP 0932006A1
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EP
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air
column
compressor
supplied
line
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Withdrawn
Application number
EP99400150A
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German (de)
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Inventor
Alain Guillard
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
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    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/915—Combustion

Definitions

  • the present invention relates to combined installations comprising at least one oven, typically a metal processing oven, supplied with compressed air, and at least one air distillation apparatus producing oxygen to enrich the air supplied to the oven, as well as the processes for implementing such combined installations.
  • document EP-A-0 531 182 provides for a separation complete air supply a) blast furnace, b) column medium pressure and c) of the mixing column using separate compression means to, in particular, allow production, in the mixing column, impure oxygen at high pressures or low, in an expensive arrangement in terms of investment and operating rotating machines and considering no synergy between these last.
  • the object of the present invention is to provide an installation combined and a method of implementing such an installation combined with extremely deep integration and allowing operating costs significantly reduced while offering flexibility in the selection of ranges Operating.
  • the method of implementing a combined installation is of the type comprising at least one oven supplied with air by at least one blower supplying air at a first pressure P 1 and oxygen by at least one air distillation apparatus comprising at least one medium pressure column supplied with air at least partially by the blower of the oven, and a mixing column supplying oxygen to the oven, and in which the column of the mixture is supplied with air by a compressor supplying air at a pressure P 2 greater than P 1 .
  • the column medium pressure is supplied only by compressed air supplied by the blower from the oven.
  • the middle column pressure is also supplied by compressed air supplied by at least one compressor stage on the same shaft line as the compressor feeding the mixing column.
  • the present invention also relates to a combined installation comprising at least one oven, at least one blower delivering in a line main compressed air connected to the oven, at least one distillation apparatus of air comprising at least one medium pressure column and one mixture having an oxygen outlet line opening into a downstream part from the main compressed air line, a bypass line from the line main compressed air supplying air to at least the middle column pressure, and at least one air compressor supplying pressurized air to at least the mixing column.
  • the distillation apparatus exploits part of the flow air from the differentiable blower due to the subsequent reinjection of oxygen in this air flow while making the most of the possibilities offered by the mixing column by selecting by choice of compressor - and inter-column liquid pump - the optimal oxygen pressure for reinjection into the blower wind.
  • Figures 1 and 2 are two embodiments of a combined installation according to the invention.
  • a treatment furnace of metal in this case a blast furnace F
  • an air distillation apparatus partner comprising essentially, in the examples shown, a line LE main exchange, a double DC column with a medium column pressure MP and a low pressure column BP, and a mixing column CM.
  • the oven F is supplied with air by a blower S discharging into a main compressed air line A with a large volume of air (typically greater than 100,000 Nm 3 / h) under a medium pressure P 1 not exceeding 5, 8 x 10 5 Pa, typically between 3 x 10 5 Pa and 5.5 x 10 5 Pa.
  • Line A can also supply, simultaneously or alternately, another metal treatment oven, for example an electric oven with the AOD process.
  • the medium pressure column MP is supplied, in a tank, with air substantially at the pressure P 1 for supplying the blower F by a line D derived from the main line A and successively passing through a cooling device R, a purification device E 1 , typically of the adsorption type, then the main exchange line LE.
  • the mixing column CM is, for its part, supplied with tank, air under pressure P 2 by a line L supplied with air under pressure by a dedicated compressor C driven by a motor M, the air supplied by this compressor C being purified in a second purification device E 2 , also typically of the adsorption type, before crossing the LE exchange line.
  • the pressure P 2 is chosen to be slightly higher than the pressure P 1 in line A to take account of the pressure drops in the air distillation apparatus, in the hot air / oxygen mixing devices downstream of line A and to optimize the regulation of this oxygen injection.
  • P 2 - P 1 is between 0.3 x 10 5 Pa and 4 x 10 5 Pa, advantageously between 0.5 x 10 5 Pa and 1.5 x 10 5 Pa.
  • part of the air flow in line D is diverted to the low pressure column BP by being turbinated in a turbine t serving in particular for keeping the apparatus cold.
  • the motor M for driving the compressor C supplying the mixing column CM is for example an electric motor advantageously exploiting the electrical energy produced on site by a cogeneration installation, or a turbine exploiting a pressurized fluid available on the site.
  • the turbine t is advantageously coupled to a booster c to overpress a compressed fluid from the installation, typically the flow of purified air in line L, in order to optimize the investment for the dedicated compressor C and / or the power supplied. by the motor M.
  • a line l is provided, provided with an expansion member, between the downstream parts of the lines D and L for send, at least temporarily, part of the flow in line L to the medium pressure column MP, thus complementing the flow taken in line A of the blower.
  • the compressor C delivering in line L compresses a flow of air derived, in a bypass line B, from line D supplying the medium pressure column MP, downstream of the purification device E 1 .
  • an additional air flow substantially at the pressure P 1 , is introduced into this line D, upstream of the cooling device R, by a line G coming from an upstream stage (here second stage EC 2 ) of a line of compressors GC on the same shaft line of which is mounted the compressor C supplying the mixing column CM.
  • the compressor line EC i - C is advantageously driven by a turbine T expanding a pressurized fluid F l available on the site, typically water vapor.
  • the pressure at the outlet of the compressor C can be chosen to be higher than the pressure required P2 for the mixing column, the air at the outlet of this compressor C can be turbinated up to the pressure P 2 in the turbine t which can thus be used to drive a booster c used to boost one of the fluids entering or leaving the distillation apparatus, for example, as shown in Figure 2, the impure nitrogen in the line N to assist in the recovery of this impure nitrogen, for example by introducing it as ballast into the combustion chamber of a gas turbine group exploiting a combustible gas transformed from a waste gas from the furnace F.

Abstract

L'installation combinée comprend au moins un four (F), au moins un appareil de distillation d'air comportant au moins une colonne moyenne pression (MP) et une colonne de mélange (CM) ayant une ligne de sortie d'oxygène (O) pour fourniture au four (F), au moins une soufflante (S) alimentant au moins le four (F) et la colonne moyenne pression (MP), et au moins un compresseur d'air (C) fournissant à au moins la colonne de mélange (CM) de l'air sous une pression supérieure à la pression de l'air fourni par la soufflante (S) <IMAGE>

Description

La présente invention concerne des installations combinées comprenant au moins un four, typiquement un four de traitement de métal, alimenté en air comprimé, et au moins un appareil de distillation d'air produisant de l'oxygène pour enrichir l'air fourni au four, ainsi que les procédés de mise en oeuvre de telles installations combinées.
Pour enrichir en oxygène un flux d'air, la production d'oxygène de haute pureté n'est pas requise et l'utilisation d'un appareil de distillation comportant une colonne de mélange, tel que décrit dans le document US-A-4 022 030 (Brugerolle) convient. Des installations combinées d'un haut fourneau et d'un appareil de distillation d'air comprenant une telle colonne de mélange sont décrites par exemple dans les documents US-A-5 244 489 (Grenier) et EP-A-0 531 182 au nom de la demanderesse. Les approches suivies dans ces deux documents sont toutefois opposées : dans le document US-A-5 244 489, l'appareil de distillation est entièrement alimenté en air par une dérivation du vent d'une soufflante de haut fourneau et la part du flux d'air fournie à la colonne de mélange est légèrement surpressée par un surpresseur entraíné par une turbine de maintien en froid détendant la part du flux d'air adressée à la colonne moyenne pression, dans un agencement imposant, pour effectuer ladite surpression, de turbiner une part importante de l'air d'alimentation de la colonne moyenne pression occasionnant des pertes de rendement d'extraction et d'énergie ainsi que des surdimensionnements des postes de réfrigération et d'épuration de l'air d'alimentation de l'appareil de distillation. A l'opposé, le document EP-A-0 531 182 prévoit une séparation complète des alimentations en air a) du haut fourneau, b) de la colonne moyenne pression et c) de la colonne de mélange mettant en oeuvre des moyens de compression distincts pour, notamment, permettre la production, dans la colonne de mélange, d'oxygène impur à des pressions élevées ou basses, dans un agencement onéreux en matière d'investissement et d'exploitation de machines tournantes et n'envisageant aucune synergie entre ces dernières.
La présente invention a pour objet de proposer une installation combinée et un procédé de mise en oeuvre d'une telle installation combinée à intégration extrêmement poussée et permettant des coûts d'exploitation notablement réduits tout en offrant une flexibilité dans la sélection des plages de fonctionnement.
Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le procédé de mise en oeuvre d'une installation combinée est du type comprenant au moins un four alimenté en air par au moins une soufflante fournissant de l'air à une première pression P1 et en oxygène par au moins un appareil de distillation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression alimentée en air au moins partiellement par la soufflante du four, et une colonne de mélange fournissant l'oxygène au four, et dans lequel la colonne de mélange est alimentée en air par un compresseur fournissant de l'air à une pression P2 supérieure à P1.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, la colonne moyenne pression est alimentée uniquement par de l'air comprimé fourni par la soufflante du four.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la colonne moyenne pression est alimentée également par de l'air comprimé fourni par au moins un étage de compresseur sur une même ligne d'arbre que le compresseur alimentant la colonne de mélange.
La présente invention a également pour objet une installation combinée comprenant au moins un four, au moins une soufflante débitant dans une ligne d'air comprimé principale reliée au four, au moins un appareil de distillation d'air comportant au moins une colonne moyenne pression et une colonne de mélange ayant une ligne de sortie d'oxygène débouchant dans une partie aval de la ligne d'air comprimé principale, une ligne de dérivation depuis la ligne d'air comprimé principale fournissant l'air à au moins la colonne moyenne pression, et au moins un compresseur d'air fournissant de l'air sous pression à au moins la colonne de mélange.
Selon l'invention, l'appareil de distillation exploite une partie du débit d'air de la soufflante dérivable en raison de la réinjection ultérieure d'oxygène dans ce débit d'air tout en exploitant au mieux les possibilités offertes par la colonne de mélange en sélectionnant par le choix du compresseur - et de la pompe de liquide inter-colonnes - la pression optimale d'oxygène pour réinjection dans le vent de la soufflante.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels :
   les figures 1 et 2 sont deux modes de réalisation d'une installation combinée selon l'invention.
Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement indicés.
Sur les figures, on a représenté schématiquement un four de traitement de métal, en l'occurence un haut fourneau F, et un appareil de distillation d'air associé comprenant essentiellement, dans les exemples représentés, une ligne d'échange principale LE, une double colonne DC avec une colonne moyenne pression MP et une colonne basse pression BP, et une colonne de mélange CM.
Le four F est alimenté en air par une soufflante S débitant dans une ligne d'air comprimé principale A un fort volume d'air (supérieur typiquement à 100 000 Nm3/h) sous une moyenne pression P1 n'excédant pas 5,8 x 105 Pa, typiquement entre 3 x 105 Pa et 5,5 x 105 Pa. La ligne A peut également alimenter, en simultané ou en alterné, un autre four de traitement de métal, par exemple un four électrique avec le procédé AOD.
Selon l'invention, la colonne moyenne pression MP est alimentée, en cuve, en air sensiblement à la pression P1 de fourniture de la soufflante F par une ligne D dérivée de la ligne principale A et traversant successivement un appareil de refroidissement R, un appareil d'épuration E1, typiquement du type à adsorption, puis la ligne d'échange principale LE. La colonne de mélange CM est, pour sa part, alimentée en cuve, en air sous une pression P2 par une ligne L alimentée en air sous pression par un compresseur dédié C entraíné par un moteur M, l'air fourni par ce compresseur C étant épuré dans un second appareil d'épuration E2, également typiquement du type à adsorption, avant de traverser la ligne d'échange LE.
De façon classique, du sommet de la colonne basse pression BP part une ligne N d'azote gazeux de moyenne pureté et de la tête de la colonne de mélange CM part une ligne O d'oxygène moyenne pureté qui, selon l'invention, après traversée de la ligne d'échange LE, débouche dans la ligne d'air comprimé principale A en amont du four F pour enrichir en oxygène l'air fourni à ce dernier. Une pompe W comprime l'oxygène liquide prélevé en cuve de la colonne basse pression BP et envoyé en tête de la colonne de mélange CM sensiblement à la pression P2 de l'air admis par la ligne L dans la colonne de mélange CM.
La pression P2 est choisie légèrement supérieure à la pression P1 dans la ligne A pour tenir compte des pertes de charge dans l'appareil de distillation d'air, dans les dispositifs de mélange air chaud/oxygène en aval de la ligne A et pour optimiser la régulation de cette injection d'oxygène. Typiquement, P2 - P1 est compris entre 0,3 x 105 Pa et 4 x 105 Pa, avantageusement entre 0,5 x 105 Pa et 1,5 x 105 Pa.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 une partie du flux d'air dans la ligne D est dérivée vers la colonne basse pression BP en étant turbinée dans une turbine t servant notamment au maintien en froid de l'appareil. Le moteur M d'entraínement du compresseur C alimentant la colonne de mélange CM est par exemple un moteur électrique exploitant avantageusement l'énergie électrique produite sur site par une installation de cogénération, ou une turbine exploitant un fluide sous pression disponible sur le site. La turbine t est avantageusement couplée à un surpresseur c pour surpresser un fluide comprimé de l'installation, typiquement le flux d'air épuré dans la ligne L, afin d'optimiser l'investissement pour le compresseur dédié C et/ou la puissance fournie par le moteur M. Egalement avantageusement, pour atténuer les conséquences d'éventuelles variations de flux disponible à partir de la soufflante S, on prévoit une ligne l, munie d'un organe de détente, entre les parties aval des lignes D et L pour adresser, au moins temporairement, une partie du flux dans la ligne L vers la colonne moyenne pression MP en complémentant ainsi le flux prélevé dans la ligne A de la soufflante.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, le compresseur C débitant dans la ligne L comprime un flux d'air dérivé, dans une ligne de dérivation B, de la ligne D d'alimentation de la colonne moyenne pression MP, en aval de l'appareil d'épuration E1. Pour pallier le flux d'air ainsi prélevé dans la ligne D, un flux d'air additionnel, sensiblement à la pression P1, est introduit dans cette ligne D, en amont de l'appareil de refroidissement R, par une ligne G provenant d'un étage amont (ici deuxième étage EC2) d'une ligne de compresseurs GC sur la même ligne d'arbre duquel est monté le compresseur C alimentant la colonne de mélange CM. Comme représenté sur la figure 2, la ligne de compresseur ECi - C est avantageusement entraíné par une turbine T détendant un fluide sous pression Fl disponible sur le site, typiquement de la vapeur d'eau.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la pression en sortie du compresseur C pouvant être choisie supérieure à la pression requise P2 pour la colonne de mélange, l'air en sortie de ce compresseur C peut être turbiné jusqu'à la pression P2 dans la turbine t qui peut ainsi être exploitée pour entraíner un surpresseur c servant à surpresser l'un des fluides entrant ou sortant de l'appareil de distillation, par exemple, comme représenté sur la figure 2, l'azote impur dans la ligne N pour aider à la valorisation de cet azote impur, par exemple en l'introduisant comme ballast dans la chambre de combustion d'un groupe de turbine à gaz exploitant un gaz combustible transformé d'un gaz résiduaire du four F.
Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaítront à l'homme de l'art et demeureront dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (16)

  1. Procédé de mise en oeuvre d'une installation combinée comprenant au moins un four (F) alimenté en air par au moins une soufflante (S) fournissant de l'air à une première pression P1 et en oxygène par au moins un appareil de distillation d'air comprenant au moins une colonne moyenne pression (MP) alimentée en air au moins partiellement par la soufflante du four, et une colonne de mélange (CM) fournissant l'oxygène au four, dans lequel la colonne de mélange est alimentée en air à une pression P2 supérieure à P1 par un compresseur (C).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression P1 n'excède pas 5,8 x 105 Pa.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que P2 - P1 est supérieur à 0,3 x 105 Pa.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que P2 - P1 n'excède pas 4 x 105 Pa.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la colonne moyenne pression (MP) est alimentée uniquement par de l'air comprimé fourni par la soufflante (S).
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la colonne moyenne pression (MP) est alimentée également par de l'air comprimé fourni par au moins un étage (ECi) de compresseur sur une même ligne d'arbre que ledit compresseur (C).
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le compresseur (C) comprime un flux d'air dérivé du flux d'alimentation de la colonne moyenne pression (MP).
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le compresseur (C) est entraíné par détente (T) d'au moins un fluide sous pression (Fl) disponible sur site.
  9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une partie (l) du flux d'air à la pression P2 est détendu et adressé à la colonne MP.
  10. Installation combinée comprenant au moins un four (F), au moins une soufflante (S) débitant dans une ligne d'air comprimé principale (A) reliée au moins au four, au moins un appareil de distillation d'air comportant au moins une colonne moyenne pression (MP) et une colonne de mélange (CM) ayant une ligne de sortie d'oxygène (O) débouchant dans la ligne d'air comprimé principale (A), une ligne de dérivation (D) depuis la ligne d'air comprimé principale fournissant l'air au moins à la colonne moyenne pression (MP), et au moins un compresseur d'air (C) fournissant de l'air sous pression à au moins la colonne de mélange (CM).
  11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil d'épuration de l'air (E1) dans la partie amont de la ligne de dérivation (D).
  12. Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que le compresseur d'air (C) est alimenté en air ambiant.
  13. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un appareil d'épuration d'air additionnel (E2) entre le compresseur d'air (C) et la colonne de mélange (CM).
  14. Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que le compresseur d'air (C) est disposé dans une branche (B) de la ligne de dérivation (D).
  15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comprend un groupe de compression (GC) alimenté en air ambiant et comprenant au moins un étage amont (ECi) et un étage final (C) sur une même ligne d'arbre, l'étage final constituant ledit compresseur d'air et la sortie de l'étage amont étant reliée à la zone amont de la ligne de dérivation (D).
  16. Installation selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que ledit compresseur d'air (C) est entraíné par une turbine (T) située dans une ligne de fluide sous pression (F).
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