EP1774223A1 - Method for generating water vapour adapted to oxycombustion - Google Patents

Method for generating water vapour adapted to oxycombustion

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Publication number
EP1774223A1
EP1774223A1 EP05826778A EP05826778A EP1774223A1 EP 1774223 A1 EP1774223 A1 EP 1774223A1 EP 05826778 A EP05826778 A EP 05826778A EP 05826778 A EP05826778 A EP 05826778A EP 1774223 A1 EP1774223 A1 EP 1774223A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vaporizer
water
combustion
heater
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05826778A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Michel Conturie
Isidore Jacubowiez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TotalEnergies Marketing Services SA
Original Assignee
Total France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Total France SA filed Critical Total France SA
Publication of EP1774223A1 publication Critical patent/EP1774223A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/003—Methods of steam generation characterised by form of heating method using combustion of hydrogen with oxygen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00—Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus

Definitions

  • the subject of the invention is a method of generating steam suitable for oxy-combustion, that is to say the combustion of a fossil fuel with oxygen, or oxygen-enriched air such as oxidizer.
  • the invention also relates to a device for its implementation.
  • STATE OF THE ART Oxygen combustion or oxycombustion is currently one of the most attractive routes envisaged for continuing to use fossil fuels while limiting CO 2 emissions into the atmosphere. Indeed, the combustion of these fuels with air causes the formation of CO 2 highly diluted in the nitrogen of the combustion air which forms a significant ballast: the CO 2 generally represents only 10 to 15% of the products of combustion.
  • the reinjection of CO 2 is one of the techniques currently envisaged to limit the emission into the atmosphere. For combustion in air, it is then necessary, for a ton of
  • CO 2 represents, after condensation of the water vapor produced by the combustion, generally about 90% of the exhaling gases, the rest comprising nitrogen and carbon dioxide.
  • the residual argon contained in the oxygen used as oxidant oxygen introduced in excess to obtain a complete combustion of fuel and other gases formed during combustion (NO x , SO x ). It is thus easy to reinject the CO 2 with a purity of 95% or more after separation of all or part of the incondensables.
  • the main problem induced by the combustion with pure oxygen or air highly enriched in oxygen is the very high temperature of the flame. This may indeed exceed 3000 0 C whereas it is normally around 2000 0 C for conventional combustion in air.
  • This very high flame temperature results in high radiation heat fluxes that are not compatible with the operation of a conventional boiler. Indeed in a conventional boiler, the combustion chamber is surrounded by tubes in which is carried out the vaporization of water and / or overheating. If the heat flows are too great, we can arrive at a situation where the tubes are empty of their water. The fluid in contact with the hot wall is then only water vapor whose heat capacity is much lower than that of water, so with a significantly lower cooling efficiency. Such a situation quickly causes the tubes to be destroyed by overheating. This phenomenon is also known in the art as "dry out” or "burn out”.
  • a first solution is to dilute the flame gases with the CO 2 produced.
  • CO 2 produced by the CO 2 produced.
  • Such recycling requires significant equipment.
  • US-P-6619041 discloses a boiler with oxy-combustion without recycling and its constituent equipment.
  • the described boiler has a water heater in the "cold" section of the smoke and not in the fireplace.
  • the invention is based on the concept of inversion, with respect to a conventional boiler, of the general circulation of combustion products (hot fluid) with water and steam (cold fluids).
  • the invention provides an oxycombustion boiler comprising a combustion chamber, a water heater and a vaporizer, wherein the combustion chamber comprises at least in part the water heater.
  • the combustion chamber completely comprises the heater.
  • the heater comprises a first bundle of independent tubes, in a pitch of 2 to 3.
  • the heater comprises a first bundle of internally corrugated tubes.
  • the vaporizer is a radiation vaporizer.
  • the vaporizer comprises a radiation vaporizer and a convection vaporizer.
  • the vaporizer is a convection vaporizer.
  • the radiation vaporizer comprising a second bundle of tubes is arranged concentrically around the heater comprising a first bundle of tubes, in the combustion chamber.
  • the boiler further comprises a water / steam separation tank, supplied with water by the heater, supplying the vaporizer with water and fed by the vaporizer with steam.
  • the water heater is disposed inside the combustion chamber.
  • the water heater operates countercurrent combustion products of the combustion chamber.
  • the invention further provides a method of generating hot water by oxy-combustion, comprising reheating cold water by the oxy-combustion flame in hot water (heated fluid).
  • the method further comprises the step of vaporizing the heated fluid produced.
  • the step of vaporizing the heated fluid is carried out by radiation.
  • the step of vaporizing the heated fluid is carried out by convection.
  • the step of vaporization of the heated fluid is carried out by radiation and by convection.
  • the step of reheating cold water by the oxy-combustion flame is implemented against the current.
  • the flame temperature of oxy-1 combustion is between 2000 and 3300 0 C, preferably between 2500 and 3000 0 C.
  • the temperature of the cold water is between 105 and 170 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
  • the heated fluid comprises water and steam in a water / vapor mass ratio ranging from 100/0 to 50/50, preferably 100/0 to 70/30, and advantageously 95 / 5 to 80/20.
  • the temperature of the heated fluid is between 170 and 600 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
  • the temperature of the steam produced is between 170 and 600 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
  • the method further comprises a step of overheating the steam produced.
  • the temperature of the fumes after the step of heating the water is from 1200 to 600 ° C.
  • the temperature of the fumes after the vaporization step is 250 to 150 ° C.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the flow of fluids in a conventional boiler
  • FIG. 2 is a schematic representation of the flow of fluids in a boiler according to the invention
  • FIG. 3 is a representation of the flow of fluids in a boiler according to one embodiment
  • - Figures 4A and 4B are a partial sectional representation of a boiler according to the prior art and a boiler according to another embodiment, respectively.
  • a conventional boiler 10 which comprises a water heater 11 in contact with the cooled combustion gases, a vaporizer 12 and a superheater 13, these elements being placed in this order towards the flame , located in the combustion chamber 14. This maximizes the efficiency of heat exchange, the countercurrent or co-current is between the fluids with the smallest temperature difference.
  • the superheater produces water vapor at a temperature of up to more than 600 0 C.
  • a boiler according to the invention adapted to oxy-combustion is described.
  • the cold fluid is brought into contact with the hottest combustion products.
  • the term "oxy-combustion” covers combustions whose oxidant is oxygen-enriched air from a value greater than 22% by volume.
  • the heat fluxes radiated on the tubes at the level of the combustion chamber vary between 200 and 3000 kW / m 2 and preferably between 300 and 1000 kW / m 2 .
  • the fuel used can be of any kind, for example gas, oil, various petroleum residues (especially heavy residues) or coal.
  • the invention is applicable to many fields.
  • the invention is particularly suitable for the generation of high steam pressure for activation of heavy oil fields. Indeed, the higher the vapor pressure, the higher the enthalpy to be provided for reheating the water before vaporization, and the lower the heat of vaporization. This makes it possible to envisage, for the high vapor pressures, combustion chambers solely used for heating the water.
  • the boiler according to the invention comprises a heater at the combustion chamber and a vaporizer downstream of the heater.
  • the terms “downstream” and “upstream” are given with respect to the flow direction of the combustion products (or in other words with respect to the temperature gradient in the boiler).
  • a superheater can be arranged in the plant for the production of superheated steam, especially in the case of electrical generation.
  • the boiler 20 comprises a combustion chamber 21, a heater 22 implanted along the walls of the combustion chamber.
  • the fluid leaving the heater 22 is sent into a balloon which separates the gaseous part from the liquid part.
  • the latter is sent to the vaporizer 23, also located partly in the combustion chamber.
  • the fluid vaporizes in this vaporizer, said primary.
  • a secondary vaporizer 24 connected to the balloon.
  • This secondary vaporizer absorbs the majority of heat transmitted by convection of hot gases unlike the primary vaporizer which essentially absorbs heat transmitted by radiation.
  • the heater produces a fluid whose vapor content is already very high, it is even possible to use only the secondary vaporizer 24 for the production of steam.
  • a superheater not shown
  • it is generally placed at the secondary vaporizer, that is to say immediately upstream or at the same level as the latter, or possibly downstream of the primary vaporizer .
  • a boiler disposed vertically with one or more flame (s), downwards.
  • the boiler 30 comprises a combustion chamber 31, provided with burners fed from a source 32, for example gas or heavy petroleum products.
  • the temperature of the flame in the combustion chamber for example is about 2000 to 3000 0 C.
  • a heater 33 is coincident with the combustion chamber 31.
  • This heater is supplied with cold water by the pipe 34.
  • the cold water is at a temperature of about 136 ° C under a pressure of about 180 bar.
  • the characteristics of the cold water used in the invention are in the following ranges: a temperature between 105 and 170 0 C and a pressure between 8 and 500 bar.
  • the heated fluid leaves the heater via line 35; it is at a temperature of about 337 ° C under a pressure of about 180 bar.
  • the characteristics of the heated fluid used in the invention are in the following ranges: a temperature between 170 and 600 0 C and a pressure between 8 and 500 bar.
  • the heated fluid is sent to a water / steam separation tank 36.
  • the water at the bottom of the balloon 36 is sent through line 37 to the primary vaporizer 38.
  • Steam is produced in this vaporizer and leaves it via line 39 to be sent to balloon 36.
  • the vapor is at a temperature of about 357 ° C under a pressure of about 180 bars.
  • the characteristics of the steam produced in the invention are in the following ranges: a temperature between 170 and 600 0 C and a pressure between 8 and 500 bar.
  • the temperature of the gases is then about 1000 ° C. to 1300 ° C. It is possible to obtain a lower exit temperature to further increase the amount of steam produced at the primary vaporizer.
  • this temperature is determined by an economic optimum which takes into account the comparison of the additional exchange surfaces on the primary and secondary vaporizers necessary to obtain the same production of steam.
  • the temperature of 1000 0 C to 1300 0 C at the outlet of radiant zone being fixed for the reasons given economic optimum above, may be used in this case to increase the amount of steam produced, to a secondary vaporizer 40 heated essentially by convection.
  • the water at the bottom of the balloon 36 is sent through line 41 to the secondary vaporizer 40. Steam is produced in this vaporizer and leaves it via line 42 to be sent to balloon 36.
  • the vapor is at a temperature of approximately 357 ° C. under a pressure of approximately 180 bar.
  • the fumes finally leave the boiler by the chimney 43.
  • a separator 44 for separating the exhaling gases from the water formed during combustion, in particular by condensation.
  • a substantially dry CO 2 stream is then withdrawn through line 45.
  • the combustion chamber is constituted essentially, and more especially around the combustion zone, by the water heater.
  • This water heater will generally comprise straight tubes, preferably smoothed outwardly. These tubes will be advantageously independent of each other. If we consider the outside diameter of the tubes d, and the center line of the tubes p, we obtain a ratio p / d which is the "pitch" of the tubes. This step is for example from 2 to 3. These tubes can be fluted ("corrugated") or smooth inside, or alternatively smooth with insert. These tubes are arranged all around the combustion chamber whose section may be circular or rectangular. These tubes are supplied with cold water from below from collectors. Hot water is extracted from the top. Thus, a possible local vaporization does not prevent the general movement of the fluid.
  • the tubes constituting this heater will preferably be small diameters, so as to limit their thickness and / or increase the internal heat transfer coefficient. Co-current operation is also possible, but in this case the burners will be placed in the hearth. Lateral burner position is also possible.
  • the vaporization section of the water comprises two separate vaporizers, one primary by radiation and the other secondary by convection.
  • Primary Radiation Vaporizer The Radiant Vaporizer is located just below the water heater, if the burners are located at the top of the firebox and just above if the burners are located at the bottom of the firebox.
  • This vaporizer includes rectilinear tubes smooth externally, grooved or smooth internally. This vaporizer is supplied with hot water from the balloon by a large-sized downflow pipe and collectors. The steam produced in these tubes is returned to the flask by collectors located near the top outlet of this vaporizer.
  • the circulation of the water-steam emulsion can be done by natural circulation or possibly by forced recirculation. Co-current operation is also possible.
  • the diameter of the tubes is chosen in particular by optimization between a good absorption of heat flows and a sufficient circulation of the emulsion.
  • the water heater and vaporizer assembly will be sized so that the flue gas temperature at the outlet of the combustion chamber is between 1000 and 1300 ° C.
  • the distribution of the amount of energy transmitted to each of the two heat exchangers will depend on the steam pressure of the boiler. Secondary convection vaporizer
  • This vaporizer beam will be supplied with hot water from the balloon by a water descent pipe independent of that which feeds the radiation vaporizer or alternatively by the same piping.
  • This vaporizer beam may be either vertical or inclined relative to the horizontal and, in this case, the circulation of the water-vapor emulsion may be natural; either with horizontal tubes and, in this case, the recirculation will be forced with an independent pump or possibly with the same pump that supplies the primary radiation vaporizer.
  • the coldest tubes can be fitted externally with fins if the quality of the products of combustion and the substantial absence of dust allow it.
  • Superheater A superheater (not shown) will generally be placed before the convection vaporizer or after the first rows of tubes of this convection vaporizer. This superheater may include two or three beams. Between each of these beams, a desuperheating device by water injection will control the temperature of the superheated steam. Referring to Figure 4A, there is described a section of a combustion chamber of a conventional boiler.
  • It comprises an outer (sealed) enclosure 51, tubes 52a, 52b, etc., in which the water-steam emulsion circulates and which are joined together by fins 53a, 53b, etc., so as to form an enclosure waterproof.
  • These tubes form here the classic vaporizer.
  • a section of a combustion chamber of a boiler according to one embodiment of the invention is described. It comprises an outer sealed enclosure 51 coated with refractory materials. Cold water circulation tubes 54a, 54b, etc. are placed concentrically, for example, in the direction of and around the hearth.
  • These tubes 54a, 54b, etc. form here the heater. This arrangement allows these tubes to receive heat flux over their entire surface. The surface opposite to the flames receiving the radiation reemitted by the refractory walls.
  • the primary vaporizer can either be designed in a manner similar to the heater, with refractory walls at the rear of the tubes, or in a more conventional manner with longitudinal finned tubes integral with each other, forming screen and sealing the combustion chamber.
  • the combustion chamber comprises, by way of example, an outer sealed enclosure 51, tubes 52a, 52b, etc., which are joined together by fins 53a, 53b, etc., so as to form a sealed enclosure.
  • These tubes 52a, 52b, etc. form here the vaporizer.
  • Other tubes with cold water circulation 54a, 54b, etc. are placed concentrically, for example, in the direction of and around the firebox.
  • These tubes 54a, 54b, etc., form here the heater.
  • This variant is particularly suitable in the case where heat fluxes remain limited. This design will limit the direct radiation on the tubes of the vaporizer, especially in the area where the steam is already important.
  • This variant also allows the remodeling of some boilers to transform them at lower cost into boilers according to the invention, since it is sufficient to insert additional tubes acting as a water heater, in an already existing combustion chamber and already provided with vaporizer beams.
  • These remodelings will be favored by the fact that the boilers concerned were initially built for combustion with air as oxidant, thus the wall surfaces are relatively large.
  • the invention offers, compared with conventional boilers, the following advantages:
  • the oxy-combustion boiler according to the invention will, at similar power and efficiency, a combustion chamber smaller than the combustion chamber of an atmospheric air boiler, and convection beams significantly less consistent. The cost and weight will therefore be reduced, the second of these characteristics being of prime importance in the case of offshore installations. Compared to a boiler fueled with oxygen with CO 2 recycling.
  • one solution is to dilute the flame by recycling CO 2 from the downstream side of the boiler.
  • the method according to the invention can be implemented under pressure (combustion chamber boiler under pressure), which can offer an advantage when it is desired to reinject the CO 2 product.
  • the invention is not limited to the embodiments described but is capable of numerous variations easily accessible to those skilled in the art.

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Abstract

The invention concerns a boiler adapted to oxycombustion (30) comprising a combustion chamber (31), a water heater (33) and a vaporizer (38, 40), wherein the combustion chamber includes at least partly the water heater (33). The invention also concerns an oxycombustion method with hot water generation, comprising heating cold water with the oxycombustion flame into a heated fluid. The inventive method is advantageously implemented in the inventive device.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE GENERATION DE VAPEUR D'EAU ADAPTE A L'OXY-COMBUSTION METHOD AND DEVICE FOR GENERATING WATER VAPOR ADAPTED TO OXY-COMBUSTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
L'invention a pour objet un procédé de génération de vapeur adapté à 1 'oxy-combustion, c'est-à-dire à la combustion d'un combustible fossile avec de l'oxygène, ou de l'air enrichi en oxygène comme comburant. L'invention a aussi pour objet un dispositif pour sa mise en œuvre. ETAT DE LA TECHNIQUE La combustion à l'oxygène ou oxy-combustion est actuellement une des voies les plus attractives envisagées pour continuer à utiliser des combustibles fossiles tout en limitant les émissions de CO2 dans l'atmosphère. En effet, la combustion de ces combustibles avec de l'air entraîne la formation de CO2 fortement dilué dans l'azote de l'air de combustion qui forme un ballast important: le CO2 ne représente en général que 10 à 15% des produits de la combustion. La réinjection de CO2 est une des techniques actuellement envisagées pour limiter l'émission dans l'atmosphère. Pour une combustion à l'air, il est alors nécessaire, pour une tonne deThe subject of the invention is a method of generating steam suitable for oxy-combustion, that is to say the combustion of a fossil fuel with oxygen, or oxygen-enriched air such as oxidizer. The invention also relates to a device for its implementation. STATE OF THE ART Oxygen combustion or oxycombustion is currently one of the most attractive routes envisaged for continuing to use fossil fuels while limiting CO 2 emissions into the atmosphere. Indeed, the combustion of these fuels with air causes the formation of CO 2 highly diluted in the nitrogen of the combustion air which forms a significant ballast: the CO 2 generally represents only 10 to 15% of the products of combustion. The reinjection of CO 2 is one of the techniques currently envisaged to limit the emission into the atmosphere. For combustion in air, it is then necessary, for a ton of
CO2 réinjecté de produire 0,3 à 0,5 tonne de CO2 additionnelCO 2 reinjected to produce 0.3 to 0.5 tonnes of additional CO 2
(selon le type de combustible) pour les besoins énergétiques de la séparation ou capture du CO2- L'efficacité est d'environ(depending on the type of fuel) for the energy needs of the separation or capture of CO 2 - The efficiency is about
50%. Pour une combustion avec de l'oxygène, dans la mesure où la production d'oxygène génère nettement moins de CO2 qu'il n'en faut pour séparer les gaz d'exhaure comme ci-dessus, l'efficacité est accrue d'environ 30 à 50%. Ainsi, dans le cas de 1 'oxy-combustion, le CO2 représente, après condensation de la vapeur d'eau produite par la combustion, en général environ 90% des gaz d'exhaure, le reste comprenant de l'azote et de l'argon résiduels contenus dans l'oxygène utilisé comme comburant, de l'oxygène introduit en excès pour obtenir une combustion complète du combustible et d'autres gaz formés durant la combustion (NOx, SOx) . On peut ainsi aisément réinjecter le CO2 avec une pureté de 95% ou plus après séparation de tout ou partie des incondensables. Le problème principal induit par la combustion avec de l'oxygène pur ou de l'air fortement enrichi en oxygène est la très forte température de la flamme. Celle-ci peut en effet dépasser 30000C alors qu'elle se situe normalement autour de 20000C pour la combustion classique dans l'air. Cette température de flamme très élevée entraîne des flux de chaleur par rayonnement élevés qui ne sont pas compatibles avec le fonctionnement d'une chaudière conventionnelle. En effet dans une chaudière conventionnelle, la chambre de combustion est entourée de tubes dans lesquels s'effectue la vaporisation de l'eau et/ou la surchauffe. Si les flux de chaleur sont trop importants, on peut arriver à une situation où les tubes se vident de leur eau. Le fluide en contact avec la paroi chaude n'est plus alors que de la vapeur d'eau dont la capacité calorifique est très nettement inférieure à celle de l'eau, donc avec une efficacité de refroidissement nettement plus faible. Une telle situation entraîne rapidement la destruction des tubes par surchauffe. Ce phénomène est aussi connu dans l'art sous le nom de "dry out" ou "burn out" .50%. For combustion with oxygen, since the production of oxygen generates significantly less CO 2 than is necessary to separate the off-gases as above, the efficiency is increased by about 30 to 50%. Thus, in the case of oxy-combustion, CO 2 represents, after condensation of the water vapor produced by the combustion, generally about 90% of the exhaling gases, the rest comprising nitrogen and carbon dioxide. the residual argon contained in the oxygen used as oxidant, oxygen introduced in excess to obtain a complete combustion of fuel and other gases formed during combustion (NO x , SO x ). It is thus easy to reinject the CO 2 with a purity of 95% or more after separation of all or part of the incondensables. The main problem induced by the combustion with pure oxygen or air highly enriched in oxygen is the very high temperature of the flame. This may indeed exceed 3000 0 C whereas it is normally around 2000 0 C for conventional combustion in air. This very high flame temperature results in high radiation heat fluxes that are not compatible with the operation of a conventional boiler. Indeed in a conventional boiler, the combustion chamber is surrounded by tubes in which is carried out the vaporization of water and / or overheating. If the heat flows are too great, we can arrive at a situation where the tubes are empty of their water. The fluid in contact with the hot wall is then only water vapor whose heat capacity is much lower than that of water, so with a significantly lower cooling efficiency. Such a situation quickly causes the tubes to be destroyed by overheating. This phenomenon is also known in the art as "dry out" or "burn out".
Une première solution consiste à diluer les gaz de flamme avec le CO2 produit. Cependant, un tel recyclage nécessite un équipement important. On recherche donc une solution sans recyclage de CO2.A first solution is to dilute the flame gases with the CO 2 produced. However, such recycling requires significant equipment. We are therefore looking for a solution without CO 2 recycling.
Le phénomène de "dry-out" est fonction du flux de chaleur reçu et du titre en vapeur dans le mélange (plus il y a de vapeur, plus on se rapproche des conditions de dry-out) . La maîtrise des flux de chaleur qu'il faut absorber sur la paroi est très difficile. Une solution pour maîtriser ces flux consiste à recouvrir les parois des tubes de matériaux réfractaires. Toutefois, cette solution diminue sensiblement l'efficacité des surfaces d'échange dans la chambre de combustion et augmente le coût d'installation. l'The phenomenon of "dry-out" is a function of the heat flow received and the steam content in the mixture (the more vapor, the closer one gets to the dry-out conditions). The control of the heat flows that must be absorbed on the wall is very difficult. One solution for controlling these flows is to cover the walls of the tubes with refractory materials. However, this solution substantially reduces the efficiency of the exchange surfaces in the combustion chamber and increases the cost of installation. the
II est aussi connu que pour éviter ce phénomène de "dry- out", de l'eau surpressée a été utilisée dans l'industrie nucléaire, laquelle surpression prévient l'ébullition au niveau de 1 'interface crayon/gaine. Cependant, il s'agit ici de gérer un phénomène de conduction (côté crayon) qui suit une loi proportionnelle à l'écart de température, avec une température de la gaine qui est relativement faible.It is also known that to avoid this phenomenon of "dry-out", pressurized water has been used in the nuclear industry, which overpressure prevents boiling at the pencil / sheath interface. However, it is a matter here of managing a conduction phenomenon (pencil side) which follows a law proportional to the difference in temperature, with a temperature of the sheath which is relatively low.
De façon distincte, dans le cas des chaudières avec flammes, il s'agit de gérer un phénomène de rayonnement, qui suit une loi de Stefan-Bolzmann, proportionnelle au bicarré de la température absolue et faisant intervenir des facteurs d'émissivité et d'absorption. En outre, le passage d'une combustion classique à 20000C à une oxy-combustion à 30000C conduit à un écart de température de 10000C, soit environ 50% de plus. L'écart en termes de chaleur rayonnée est alors multiplié par plus de 4. La puissance surfacique reçue par les parois dans le cas de 1 'oxy-combustion peut ainsi largement dépasser 1000 kW/m2.Separately, in the case of boilers with flames, it is a question of managing a phenomenon of radiation, which follows a Stefan-Bolzmann law, proportional to the bicarré of the absolute temperature and involving emissivity factors and absorption. In addition, the passage of a conventional combustion at 2000 0 C to oxy-combustion at 3000 0 C leads to a temperature difference of 1000 0 C, about 50% more. The difference in terms of radiated heat is then multiplied by more than 4. The pfd received by the walls in the case of 1 oxy-combustion can thus greatly exceed 1000 kW / m 2 .
US-P-6619041 décrit une chaudière avec oxy-combustion sans recyclage et ses équipements constitutifs. La chaudière décrite présente un réchauffeur d'eau dans la section "froide" des fumées et non dans le foyer.US-P-6619041 discloses a boiler with oxy-combustion without recycling and its constituent equipment. The described boiler has a water heater in the "cold" section of the smoke and not in the fireplace.
Aucun autre brevet relatif à oxy-combustion ne divulgue l'installation du réchauffeur d'eau dans le foyer. Rien dans l'état de la technique ne décrit donc ni ne suggère la présente invention. RESUME DE L'INVENTIONNo other patent relating to oxy-combustion discloses the installation of the water heater in the home. Nothing in the state of the art therefore describes or suggests the present invention. SUMMARY OF THE INVENTION
L'invention est basée sur le concept d'inversion, par rapport à une chaudière conventionnelle, de la circulation générale des produits de combustion (fluide chaud) à l'eau et à la vapeur (fluides froids) .The invention is based on the concept of inversion, with respect to a conventional boiler, of the general circulation of combustion products (hot fluid) with water and steam (cold fluids).
L'invention fournit une chaudière adaptée à 1Oxy- combustion comprenant une chambre de combustion, un réchauffeur d'eau et un vaporiseur, dans laquelle la chambre de combustion comprend au moins en partie le réchauffeur d'eau.The invention provides an oxycombustion boiler comprising a combustion chamber, a water heater and a vaporizer, wherein the combustion chamber comprises at least in part the water heater.
Selon un mode de réalisation, la chambre de combustion comprend totalement le réchauffeur. Selon un mode de réalisation, le réchauffeur comprend un premier faisceau de tubes indépendants, selon un pas de 2 à 3.According to one embodiment, the combustion chamber completely comprises the heater. According to one embodiment, the heater comprises a first bundle of independent tubes, in a pitch of 2 to 3.
Selon un mode de réalisation, le réchauffeur comprend un premier faisceau de tubes cannelés intérieurement. Selon une première variante, le vaporiseur est un vaporiseur par rayonnement.According to one embodiment, the heater comprises a first bundle of internally corrugated tubes. According to a first variant, the vaporizer is a radiation vaporizer.
Selon une seconde variante, le vaporiseur comprend un vaporiseur par rayonnement et un vaporiseur à convection.According to a second variant, the vaporizer comprises a radiation vaporizer and a convection vaporizer.
Selon une troisième variante, le vaporiseur est un vaporiseur à convection.According to a third variant, the vaporizer is a convection vaporizer.
Selon un mode de réalisation, le vaporiseur par rayonnement comprenant un second faisceau de tubes est disposé concentriquement autour du réchauffeur comprenant un premier faisceau de tubes, dans la chambre de combustion. Selon un mode de réalisation, la chaudière comprend en outre un ballon de séparation eau/vapeur, alimenté en eau par le réchauffeur, alimentant le vaporiseur en eau et alimenté par le vaporiseur en vapeur d'eau.According to one embodiment, the radiation vaporizer comprising a second bundle of tubes is arranged concentrically around the heater comprising a first bundle of tubes, in the combustion chamber. According to one embodiment, the boiler further comprises a water / steam separation tank, supplied with water by the heater, supplying the vaporizer with water and fed by the vaporizer with steam.
Selon un mode de réalisation, le réchauffeur d'eau est disposé à l'intérieur de la chambre de combustion.According to one embodiment, the water heater is disposed inside the combustion chamber.
Selon un mode de réalisation, le réchauffeur d'eau fonctionne à contre-courant des produits de combustion de la chambre de combustion.According to one embodiment, the water heater operates countercurrent combustion products of the combustion chamber.
L'invention fournit encore un procédé de génération d'eau chaude par oxy-combustion, comprenant le réchauffage d'eau froide par la flamme d'oxy-combustion en eau chaude (fluide réchauffé) .The invention further provides a method of generating hot water by oxy-combustion, comprising reheating cold water by the oxy-combustion flame in hot water (heated fluid).
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape de vaporisation du fluide réchauffé produit.According to one embodiment, the method further comprises the step of vaporizing the heated fluid produced.
Selon une première variante, l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en œuvre par rayonnement.According to a first variant, the step of vaporizing the heated fluid is carried out by radiation.
Selon une seconde variante, l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en œuvre par convection.According to a second variant, the step of vaporizing the heated fluid is carried out by convection.
Selon une troisième variante, l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en œuvre par rayonnement et par convection. Selon un mode de réalisation, l'étape du réchauffage d'eau froide par la flamme d'oxy-combustion est mise en oeuvre à contre-courant.According to a third variant, the step of vaporization of the heated fluid is carried out by radiation and by convection. According to one embodiment, the step of reheating cold water by the oxy-combustion flame is implemented against the current.
Selon un mode de réalisation, la température de la flamme d1oxy-combustion est comprise entre 2000 et 33000C, de préférence entre 2500 et 30000C.According to one embodiment, the flame temperature of oxy-1 combustion is between 2000 and 3300 0 C, preferably between 2500 and 3000 0 C.
Selon un mode de réalisation, la température de l'eau froide est comprise entre 105 et 1700C et sa pression entre 8 et 500 bars. Selon un mode de réalisation, le fluide réchauffé comprend de l'eau et de la vapeur selon une proportion massique eau/vapeur variant de 100/0 à 50/50, de préférence de 100/0 à 70/30, et avantageusement de 95/5 à 80/20.According to one embodiment, the temperature of the cold water is between 105 and 170 0 C and its pressure between 8 and 500 bar. According to one embodiment, the heated fluid comprises water and steam in a water / vapor mass ratio ranging from 100/0 to 50/50, preferably 100/0 to 70/30, and advantageously 95 / 5 to 80/20.
Selon un mode de réalisation, la température du fluide réchauffé est comprise entre 170 et 6000C et sa pression entre 8 et 500 bars.According to one embodiment, the temperature of the heated fluid is between 170 and 600 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
Selon un mode de réalisation, la température de la vapeur produite est comprise entre 170 et 6000C et sa pression entre 8 et 500 bars. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de surchauffe de la vapeur produite.According to one embodiment, the temperature of the steam produced is between 170 and 600 0 C and its pressure between 8 and 500 bar. According to one embodiment, the method further comprises a step of overheating the steam produced.
Selon un mode de réalisation, la température des fumées après l'étape de réchauffage de l'eau est de 1200 à 6000C.According to one embodiment, the temperature of the fumes after the step of heating the water is from 1200 to 600 ° C.
Selon un mode de réalisation, la température des fumées après l'étape de vaporisation est de 250 à 1500C.According to one embodiment, the temperature of the fumes after the vaporization step is 250 to 150 ° C.
Le procédé selon 1 ' invention est avantageusement mis en œuvre dans le dispositif selon l'invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURESThe method according to the invention is advantageously implemented in the device according to the invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
- La figure 1 est une représentation schématique de la circulation des fluides dans une chaudière conventionnelle;- Figure 1 is a schematic representation of the flow of fluids in a conventional boiler;
- La figure 2 est une représentation schématique de la circulation des fluides dans une chaudière selon 1 ' invention; - La figure 3 est une représentation de la circulation des fluides dans une chaudière selon un mode de réalisation; - Les figures 4A et 4B sont une représentation partielle en coupe d'une chaudière selon l'art antérieur et d'une chaudière selon un autre mode de réalisation, respectivement. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTIONFIG. 2 is a schematic representation of the flow of fluids in a boiler according to the invention; FIG. 3 is a representation of the flow of fluids in a boiler according to one embodiment; - Figures 4A and 4B are a partial sectional representation of a boiler according to the prior art and a boiler according to another embodiment, respectively. DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
En référence à la figure 1, on décrit une chaudière conventionnelle 10 qui comprend un réchauffeur d'eau 11 en contact avec les gaz de combustion refroidis, un vaporiseur 12 et un surchauffeur 13, ces éléments étant placés dans cet ordre en allant vers la flamme, située dans la chambre de combustion 14. On maximise ainsi le rendement des échanges thermiques, le contre-courant ou co-courant se faisant entre les fluides avec la différence de température la plus faible.With reference to FIG. 1, a conventional boiler 10 is described which comprises a water heater 11 in contact with the cooled combustion gases, a vaporizer 12 and a superheater 13, these elements being placed in this order towards the flame , located in the combustion chamber 14. This maximizes the efficiency of heat exchange, the countercurrent or co-current is between the fluids with the smallest temperature difference.
Le surchauffeur produit de la vapeur d'eau à une température allant jusqu'à plus de 6000C.The superheater produces water vapor at a temperature of up to more than 600 0 C.
En référence à la figure 2, on décrit une chaudière selon l'invention adaptée à 1 'oxy-combustion. Dans celle-ci, le fluide froid est mis en contact avec les produits de combustion les plus chauds. Le terme de "oxy-combustion" couvre les combustions dont le comburant est de l'air enrichi en oxygène à partir d'une valeur supérieure à 22% en volume. Les flux de chaleur rayonnes sur les tubes au niveau de la chambre de combustion varient entre 200 et 3000 kW/m2 et de préférence entre 300 et 1000 kW/m2. Le combustible utilisé peut être quelconque, par exemple du gaz, du pétrole, des résidus pétroliers divers (résidus lourds notamment) ou du charbon.With reference to FIG. 2, a boiler according to the invention adapted to oxy-combustion is described. In this, the cold fluid is brought into contact with the hottest combustion products. The term "oxy-combustion" covers combustions whose oxidant is oxygen-enriched air from a value greater than 22% by volume. The heat fluxes radiated on the tubes at the level of the combustion chamber vary between 200 and 3000 kW / m 2 and preferably between 300 and 1000 kW / m 2 . The fuel used can be of any kind, for example gas, oil, various petroleum residues (especially heavy residues) or coal.
L'invention trouve à s'appliquer à de nombreux domaines.The invention is applicable to many fields.
Elle peut s'appliquer à la génération d'électricité à partir d'énergie fossile, qui ne serait plus pénalisée par les émissions de CO2. Elle peut s'appliquer à la production des huiles lourdes dans le cadre d'une activation de la production par injection de vapeur dans le gisement (activation des champs d'huiles lourdes à la vapeur) , par exemple selon la technique dite du drainage par gravité assistée par la vapeurIt can be applied to the generation of electricity from fossil fuels, which would no longer be penalized by CO 2 emissions. It can be applied to the production of heavy oils in the context of an activation of the production by steam injection into the deposit (activation of heavy oil fields with steam), for example according to the technique known as drainage by gravity assisted by steam
(Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD) . L'invention est particulièrement adaptée à la génération de vapeur haute pression pour 1 'activation des champs d'huiles lourdes. En effet, plus la pression de vapeur est élevée, plus l'enthalpie à fournir pour le réchauffage de l'eau avant vaporisation est élevée, et plus la chaleur de vaporisation est faible. Ceci permet d'envisager pour les hautes pressions de vapeur des chambres de combustion uniquement utilisées pour le réchauffage de l'eau.(Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD). The invention is particularly suitable for the generation of high steam pressure for activation of heavy oil fields. Indeed, the higher the vapor pressure, the higher the enthalpy to be provided for reheating the water before vaporization, and the lower the heat of vaporization. This makes it possible to envisage, for the high vapor pressures, combustion chambers solely used for heating the water.
Elle peut aussi s'appliquer au cas où le CO2 est réinjecté dans les puits, soit pour s'en débarrasser, soit dans le cadre de la technique de la récupération améliorée des huiles (Enhanced OiI Recovery, EOR) . Pour les métiers en aval de la production de pétrole, l'invention permettra l'utilisation de produits pétroliers divers.It can also apply in the case where the CO 2 is reinjected into the wells, either to get rid of it or in the framework of the technique of improved oil recovery (Enhanced OiI Recovery, EOR). For jobs downstream of oil production, the invention will allow the use of various petroleum products.
De façon générale, la chaudière selon l'invention comprend un réchauffeur au niveau de la chambre de combustion et un vaporiseur en aval du réchauffeur. Les termes "aval" et "amont" sont donnés par rapport au sens de l'écoulement des produits de combustion (ou en d'autres termes par rapport au gradient de températures dans la chaudière) . De l'eau froide entre dans le réchauffeur et un fluide réchauffé en sort, avec une proportion massique eau/vapeur qui peut varier de 100/0 à 50/50 à la sortie du réchauffeur de préférence de 100/0 à 70/30, et avantageusement 95/5 à 80/20. En cas de besoin, un surchauffeur peut être disposé dans l'installation pour la production de vapeur surchauffée, notamment dans le cas de génération électrique.In general, the boiler according to the invention comprises a heater at the combustion chamber and a vaporizer downstream of the heater. The terms "downstream" and "upstream" are given with respect to the flow direction of the combustion products (or in other words with respect to the temperature gradient in the boiler). Cold water enters the heater and a heated fluid comes out, with a mass proportion water / steam which can vary from 100/0 to 50/50 at the exit of the heater preferably from 100/0 to 70/30, and advantageously 95/5 to 80/20. If necessary, a superheater can be arranged in the plant for the production of superheated steam, especially in the case of electrical generation.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, la chaudière 20 comprend une chambre de combustion 21, un réchauffeur 22 implanté le long des parois de la chambre de combustion. Le fluide en sortie du réchauffeur 22 est envoyé dans un ballon qui sépare la partie gazeuse de la partie liquide. Cette dernière est envoyée vers le vaporiseur 23, situé aussi en partie dans la chambre de combustion. Le fluide se vaporise dans ce vaporiseur, dit primaire. Si la quantité de vapeur produite n'est pas suffisante, il est possible aussi d'utiliser en parallèle un vaporiseur secondaire 24 relié au ballon. Ce vaporiseur secondaire absorbe majoritairement la chaleur transmise par convection des gaz chauds à la différence du vaporiseur primaire qui absorbe essentiellement la chaleur transmise par rayonnement. Si le réchauffeur produit un fluide dont le titre en vapeur est déjà très élevé, il est même possible de n'utiliser que le vaporiseur secondaire 24 pour la production de vapeur. Dans le cas où un surchauffeur (non représenté) est requis, il est en général placé au niveau du vaporiseur secondaire, c'est-à-dire immédiatement en amont ou au même niveau que celui-ci, ou éventuellement en aval du vaporiseur primaire.In the embodiment illustrated in FIG. 2, the boiler 20 comprises a combustion chamber 21, a heater 22 implanted along the walls of the combustion chamber. The fluid leaving the heater 22 is sent into a balloon which separates the gaseous part from the liquid part. The latter is sent to the vaporizer 23, also located partly in the combustion chamber. The fluid vaporizes in this vaporizer, said primary. If the amount of steam produced is not sufficient, it is also possible to use in parallel a secondary vaporizer 24 connected to the balloon. This secondary vaporizer absorbs the majority of heat transmitted by convection of hot gases unlike the primary vaporizer which essentially absorbs heat transmitted by radiation. If the heater produces a fluid whose vapor content is already very high, it is even possible to use only the secondary vaporizer 24 for the production of steam. In the case where a superheater (not shown) is required, it is generally placed at the secondary vaporizer, that is to say immediately upstream or at the same level as the latter, or possibly downstream of the primary vaporizer .
En référence à la figure 3, selon un mode de réalisation de l'invention, on décrit une chaudière disposée verticalement avec une ou plusieurs flamme(s), vers le bas. La chaudière 30 comprend une chambre de combustion 31, munies de brûleurs alimentés à partir d'une source 32, par exemple de gaz ou de produits pétroliers lourds. La température de la flamme dans la chambre de combustion, est par exemple d'environ 2000 à 30000C. Un réchauffeur 33 est confondu avec la chambre de combustion 31. Ce réchauffeur est alimenté en eau froide par la conduite 34. A titre d'exemple, l'eau froide est à une température d'environ 136°C sous une pression d'environ 180 bars. De façon générale, les caractéristiques de l'eau froide utilisée dans l'invention se situent dans les plages suivantes: une température entre 105 et 1700C et une pression entre 8 et 500 bars.Referring to Figure 3, according to one embodiment of the invention, there is described a boiler disposed vertically with one or more flame (s), downwards. The boiler 30 comprises a combustion chamber 31, provided with burners fed from a source 32, for example gas or heavy petroleum products. The temperature of the flame in the combustion chamber, for example is about 2000 to 3000 0 C. A heater 33 is coincident with the combustion chamber 31. This heater is supplied with cold water by the pipe 34. As a for example, the cold water is at a temperature of about 136 ° C under a pressure of about 180 bar. In general, the characteristics of the cold water used in the invention are in the following ranges: a temperature between 105 and 170 0 C and a pressure between 8 and 500 bar.
Le fluide réchauffé quitte le réchauffeur par la conduite 35; il est à une température d'environ 337°C sous une pression d'environ 180 bars. De façon générale, les caractéristiques du fluide réchauffé utilisées dans l'invention se situent dans les plages suivantes: une température entre 170 et 6000C et une pression entre 8 et 500 bars.The heated fluid leaves the heater via line 35; it is at a temperature of about 337 ° C under a pressure of about 180 bar. In general, the characteristics of the heated fluid used in the invention are in the following ranges: a temperature between 170 and 600 0 C and a pressure between 8 and 500 bar.
Le fluide réchauffé est envoyé vers un ballon 36 de séparation eau/vapeur. L'eau en pied du ballon 36 est envoyée par la conduite 37 vers le vaporiseur primaire 38. De la vapeur est produite dans ce vaporiseur et le quitte par la conduite 39 pour être envoyée vers le ballon 36. La vapeur est à une température d'environ 357°C sous une pression d'environ 180 bars. De façon générale, les caractéristiques de la vapeur produite dans 1 ' invention se situent dans les plages suivantes: une température entre 170 et 6000C et une pression entre 8 et 500 bars. En sortie de la chambre de combustion, c'est-à-dire en sortie du vaporiseur primaire, la température des gaz est alors d'environ 10000C à 13000C. Il est possible d'obtenir une température de sortie plus faible afin d'augmenter encore la quantité de vapeur produite au niveau du vaporiseur primaire. Le choix de cette température est déterminé par un optimum économique qui prend en compte la comparaison des surfaces d'échange supplémentaires sur les vaporiseurs primaire et secondaire nécessaires pour obtenir la même production de vapeur. Cependant, la température de 10000C à 13000C en sortie de zone radiante étant fixée pour les raisons indiquées ci-dessus d'optimum économique, on peut avoir recours dans le cas présent, afin d'augmenter la quantité de vapeur produite, à un vaporiseur secondaire 40 chauffé essentiellement par convection. L'eau en pied du ballon 36 est envoyée par la conduite 41 vers le vaporiseur secondaire 40. De la vapeur est produite dans ce vaporiseur et le quitte par la conduite 42 pour être envoyée vers le ballon 36. La vapeur est à une température d'environ 3570C sous une pression d'environ 180 bars. Les fumées quittent enfin la chaudière par la cheminée 43.The heated fluid is sent to a water / steam separation tank 36. The water at the bottom of the balloon 36 is sent through line 37 to the primary vaporizer 38. Steam is produced in this vaporizer and leaves it via line 39 to be sent to balloon 36. The vapor is at a temperature of about 357 ° C under a pressure of about 180 bars. In general, the characteristics of the steam produced in the invention are in the following ranges: a temperature between 170 and 600 0 C and a pressure between 8 and 500 bar. At the outlet of the combustion chamber, that is to say at the outlet of the primary vaporizer, the temperature of the gases is then about 1000 ° C. to 1300 ° C. It is possible to obtain a lower exit temperature to further increase the amount of steam produced at the primary vaporizer. The choice of this temperature is determined by an economic optimum which takes into account the comparison of the additional exchange surfaces on the primary and secondary vaporizers necessary to obtain the same production of steam. However, the temperature of 1000 0 C to 1300 0 C at the outlet of radiant zone being fixed for the reasons given economic optimum above, may be used in this case to increase the amount of steam produced, to a secondary vaporizer 40 heated essentially by convection. The water at the bottom of the balloon 36 is sent through line 41 to the secondary vaporizer 40. Steam is produced in this vaporizer and leaves it via line 42 to be sent to balloon 36. The vapor is at a temperature of approximately 357 ° C. under a pressure of approximately 180 bar. The fumes finally leave the boiler by the chimney 43.
Eventuellement, il est possible de prévoir un séparateur 44 afin de séparer les gaz d'exhaure de l'eau formée lors de la combustion, notamment par condensation. Un courant de CO2 sensiblement sec est alors extrait par la conduite 45.Optionally, it is possible to provide a separator 44 for separating the exhaling gases from the water formed during combustion, in particular by condensation. A substantially dry CO 2 stream is then withdrawn through line 45.
Dans .ce qui suit, on décrit plus particulièrement certains éléments de la chaudière selon l'invention, à savoir réchauffeur d'eau, vaporiseur primaire par rayonnement, vaporiseur secondaire à convection et surchauffeur. Réchauffeur d'eauIn what follows, certain elements of the boiler according to the invention, namely water heater, primary vaporizer by radiation, secondary convection vaporizer and superheater, are described more particularly. Water heater
Ainsi qu'il a été dit précédemment, la chambre de combustion est constituée pour l'essentiel, et plus particulièrement autour de la zone de combustion, par le réchauffeur d'eau. Ce réchauffeur d'eau comprendra en général des tubes droits, de préférence lissés extérieurement. Ces tubes seront avantageusement indépendants les uns des autres. Si on considère le diamètre extérieur des tubes d, et l'entre axe des tubes p, on obtient un rapport p/d qui est le "pas" des tubes. Ce pas est par exemple de 2 à 3. Ces tubes peuvent être cannelés ("corrugués") ou lisses intérieurement, ou en variante lisses avec insert. Ces tubes sont disposés tout autour de la chambre de combustion dont la section pourra être circulaire ou rectangulaire. Ces tubes sont alimentés en eau froide par le bas à partir de collecteurs. L'eau chaude est extraite par le haut. Ainsi, une éventuelle vaporisation locale n'empêche pas le mouvement général du fluide. Les tubes constitutifs de ce réchauffeur seront de préférence de petits diamètres, de manière à limiter leur épaisseur et/ou augmenter le coefficient de transfert thermique interne. Un fonctionnement à co-courant est aussi possible mais, dans ce cas, les brûleurs seront disposés dans la sole. Une position des brûleurs latérale est aussi possible.As has been said previously, the combustion chamber is constituted essentially, and more especially around the combustion zone, by the water heater. This water heater will generally comprise straight tubes, preferably smoothed outwardly. These tubes will be advantageously independent of each other. If we consider the outside diameter of the tubes d, and the center line of the tubes p, we obtain a ratio p / d which is the "pitch" of the tubes. This step is for example from 2 to 3. These tubes can be fluted ("corrugated") or smooth inside, or alternatively smooth with insert. These tubes are arranged all around the combustion chamber whose section may be circular or rectangular. These tubes are supplied with cold water from below from collectors. Hot water is extracted from the top. Thus, a possible local vaporization does not prevent the general movement of the fluid. The tubes constituting this heater will preferably be small diameters, so as to limit their thickness and / or increase the internal heat transfer coefficient. Co-current operation is also possible, but in this case the burners will be placed in the hearth. Lateral burner position is also possible.
La section de vaporisation de l'eau comprend deux vaporisateurs distincts, l'un primaire par rayonnement et l'autre secondaire par convection. Vaporiseur primaire par rayonnement Le vaporisateur par rayonnement est situé juste au-dessous du réchauffeur d'eau, si les brûleurs sont situés au sommet de la chambre de combustion et juste au-dessus si les brûleurs sont situés au bas de la chambre de combustion. Ce vaporisateur comprend des tubes rectilignes lisses extérieurement, cannelés ou lisses intérieurement. Ce vaporisateur est alimenté en eau chaude en provenance du ballon par une tuyauterie de descente d'eau largement dimensionnée et des collecteurs. La vapeur produite dans ces tubes est renvoyée au ballon par des collecteurs situés à proximité de la sortie supérieure de ce vaporisateur. La circulation de l'émulsion eau-vapeur peut se faire par circulation naturelle ou éventuellement par recirculation forcée. Un fonctionnement à co-courant est aussi possible. Le diamètre des tubes est choisi en particulier par optimisation entre une bonne absorption des flux thermiques et une circulation suffisante de l'émulsion. L'ensemble réchauffeur d'eau et vaporiseur par rayonnement sera dimensionné pour que la température des fumées à la sortie de la chambre de combustion se situe entre 1000 et 13000C. La répartition de la quantité d'énergie transmise à chacun des deux échangeurs sera fonction de la pression de la vapeur de la chaudière. Vaporiseur secondaire à convectionThe vaporization section of the water comprises two separate vaporizers, one primary by radiation and the other secondary by convection. Primary Radiation Vaporizer The Radiant Vaporizer is located just below the water heater, if the burners are located at the top of the firebox and just above if the burners are located at the bottom of the firebox. This vaporizer includes rectilinear tubes smooth externally, grooved or smooth internally. This vaporizer is supplied with hot water from the balloon by a large-sized downflow pipe and collectors. The steam produced in these tubes is returned to the flask by collectors located near the top outlet of this vaporizer. The circulation of the water-steam emulsion can be done by natural circulation or possibly by forced recirculation. Co-current operation is also possible. The diameter of the tubes is chosen in particular by optimization between a good absorption of heat flows and a sufficient circulation of the emulsion. The water heater and vaporizer assembly will be sized so that the flue gas temperature at the outlet of the combustion chamber is between 1000 and 1300 ° C. The distribution of the amount of energy transmitted to each of the two heat exchangers will depend on the steam pressure of the boiler. Secondary convection vaporizer
Un complément de vaporisation est effectué dans un échangeur à convection situé en aval de la chambre de combustion. Ce faisceau vaporiseur sera alimenté en eau chaude à partir du ballon par une tuyauterie de descente d'eau indépendante de celle qui alimente le vaporiseur à rayonnement ou en variante par la même tuyauterie. Ce faisceau vaporiseur pourra être soit vertical, soit incliné par rapport à l'horizontale et, dans ce cas, la circulation de l'émulsion eau-vapeur pourra être naturelle ; soit à tubes horizontaux et, dans ce cas, la recirculation sera forcée avec une pompe indépendante ou éventuellement avec la même pompe que celle qui alimente le vaporiseur primaire à rayonnement. Les tubes les plus froids peuvent être munis extérieurement d'ailettes si la qualité des produits de combustion et l'absence sensible de poussières le permettent. Les fumées admises à l'entrée de ce vaporiseur à une température comprise entre 1000 et 13000C sont refroidies jusqu'à une température de 10 à 200C supérieure à la température de vaporisation par exemple. Surchauffeur Un surchauffeur (non représenté) sera en général placé avant le vaporiseur à convection ou après les premières rangées de tubes de ce vaporiseur à convection. Ce surchauffeur pourra comprendre deux ou trois faisceaux. Entre chacun de ces faisceaux, un dispositif de désurchauffe par injection d'eau permettra le contrôle de la température de la vapeur surchauffée. En référence à la figure 4A, on décrit une coupe d'une chambre de combustion d'une chaudière conventionnelle. Elle comprend une enceinte (étanche) extérieure 51, des tubes 52a, 52b, etc., dans lesquels circule l'émulsion eau-vapeur et qui sont joints entre eux par des ailettes 53a, 53b, etc., de sorte à former une enceinte étanche. Ces tubes forment ici le vaporiseur classique.Additional vaporization is performed in a convection heat exchanger located downstream of the combustion chamber. This vaporizer beam will be supplied with hot water from the balloon by a water descent pipe independent of that which feeds the radiation vaporizer or alternatively by the same piping. This vaporizer beam may be either vertical or inclined relative to the horizontal and, in this case, the circulation of the water-vapor emulsion may be natural; either with horizontal tubes and, in this case, the recirculation will be forced with an independent pump or possibly with the same pump that supplies the primary radiation vaporizer. The coldest tubes can be fitted externally with fins if the quality of the products of combustion and the substantial absence of dust allow it. The fumes admitted to the inlet of this vaporizer at a temperature between 1000 and 1300 0 C are cooled to a temperature of 10 to 20 0 C above the vaporization temperature for example. Superheater A superheater (not shown) will generally be placed before the convection vaporizer or after the first rows of tubes of this convection vaporizer. This superheater may include two or three beams. Between each of these beams, a desuperheating device by water injection will control the temperature of the superheated steam. Referring to Figure 4A, there is described a section of a combustion chamber of a conventional boiler. It comprises an outer (sealed) enclosure 51, tubes 52a, 52b, etc., in which the water-steam emulsion circulates and which are joined together by fins 53a, 53b, etc., so as to form an enclosure waterproof. These tubes form here the classic vaporizer.
En référence à la figure 4B, on décrit une coupe d'une chambre de combustion d'une chaudière selon un mode de réalisation de l'invention. Elle comprend une enceinte étanche extérieure 51 revêtue de matériaux réfractaires. Des tubes à circulation d'eau froide 54a, 54b,- etc., sont placés concentriquement, par exemple, en direction et autour du foyer.With reference to FIG. 4B, a section of a combustion chamber of a boiler according to one embodiment of the invention is described. It comprises an outer sealed enclosure 51 coated with refractory materials. Cold water circulation tubes 54a, 54b, etc. are placed concentrically, for example, in the direction of and around the hearth.
Ces tubes 54a, 54b, etc., forment ici le réchauffeur. Cette disposition permet à ces tubes de recevoir des flux de chaleur sur la totalité de leur surface. La surface opposée aux flammes recevant le rayonnement réémis par les parois en réfractaire.These tubes 54a, 54b, etc., form here the heater. This arrangement allows these tubes to receive heat flux over their entire surface. The surface opposite to the flames receiving the radiation reemitted by the refractory walls.
En dessous de ce réchauffeur, le vaporiseur primaire peut soit être conçu d'une manière similaire au réchauffeur, avec parois en réfractaire à l'arrière des tubes, soit d'une manière plus classique avec des tubes à ailettes longitudinales solidaires entre eux, formant écran et assurant l'étanchéité de la chambre de combustion.Below this heater, the primary vaporizer can either be designed in a manner similar to the heater, with refractory walls at the rear of the tubes, or in a more conventional manner with longitudinal finned tubes integral with each other, forming screen and sealing the combustion chamber.
Sur la figure 4B, la chambre de combustion comprend, à titre d'exemple, une enceinte étanche extérieure 51, des tubes 52a, 52b, etc., qui sont joints entre eux par des ailettes 53a, 53b, etc., de sorte à former une enceinte étanche. Ces tubes 52a, 52b, etc., forment ici le vaporiseur. D'autres tubes à circulation d'eau froide 54a, 54b, etc., sont placés concentriquement par exemple en direction et autour du foyer. Ces tubes 54a, 54b, etc., forment ici le réchauffeur. Cette variante est particulièrement adaptée au cas où les flux de chaleur restent limités. Cette conception permettra de limiter le rayonnement direct sur les tubes du vaporiseur, particulièrement dans la zone où le titre en vapeur est déjà important.In FIG. 4B, the combustion chamber comprises, by way of example, an outer sealed enclosure 51, tubes 52a, 52b, etc., which are joined together by fins 53a, 53b, etc., so as to form a sealed enclosure. These tubes 52a, 52b, etc. form here the vaporizer. Other tubes with cold water circulation 54a, 54b, etc., are placed concentrically, for example, in the direction of and around the firebox. These tubes 54a, 54b, etc., form here the heater. This variant is particularly suitable in the case where heat fluxes remain limited. This design will limit the direct radiation on the tubes of the vaporizer, especially in the area where the steam is already important.
Cette variante permet aussi le remodelage de certaines chaudières pour les transformer à moindre coût en chaudières selon l'invention, puisqu'il suffit d'insérer des tubes supplémentaires faisant office de réchauffeur d'eau, dans une chambre de combustion déjà existante et déjà munie de faisceaux vaporiseurs. Ces remodelages seront favorisés par le fait que les chaudières concernées ont été initialement construites pour une combustion avec de l'air comme comburant, de ce fait les surfaces des parois sont relativement importantes.This variant also allows the remodeling of some boilers to transform them at lower cost into boilers according to the invention, since it is sufficient to insert additional tubes acting as a water heater, in an already existing combustion chamber and already provided with vaporizer beams. These remodelings will be favored by the fact that the boilers concerned were initially built for combustion with air as oxidant, thus the wall surfaces are relatively large.
L'invention offre, par rapport aux chaudières classiques, les avantages suivants:The invention offers, compared with conventional boilers, the following advantages:
Par rapport à une chaudière alimentée en air atmosphérique.Compared to a boiler fed with atmospheric air.
La combustion avec de l'oxygène pur diminue d'une façon considérable le ballast d'azote ce qui facilite la captation du CO2. Cette diminution du ballast d'azote offre les avantages suivants:Combustion with pure oxygen considerably reduces nitrogen ballast, which facilitates CO 2 capture. This reduction in nitrogen ballast offers the following advantages:
- on a une augmentation du flux rayonné directement par la flamme et une augmentation du flux rayonné par les fumées. Le premier effet est dû à l'augmentation de la température de combustion, le second est lié au fait qu'à épaisseur de couche gazeuse égale, une concentration plus importante de CO2+H2O accroît le pouvoir émissif des fumées (en effet les gaz triâtomiques sont rayonnants, contrairement aux gaz diatomiques) . On a donc une diminution notable des surfaces d'échange nécessaires.- There is an increase in flux radiated directly by the flame and an increase in the flux radiated by the fumes. The first effect is due to the increase of the combustion temperature, the second is related to the fact that with a gaseous layer thickness equal, a higher concentration of CO 2 + H 2 O increases the emissive power of the fumes (indeed triatomic gases are radiating, unlike diatomic gases). There is therefore a significant reduction in the necessary exchange surfaces.
- on a une diminution du volume des fumées produites. Cette diminution entraîne une diminution des échanges par convection et, par voie de conséquence, des surfaces des échangeurs à convection. La chaudière d'oxy-combustion selon l'invention aura, à puissance et à rendement similaires, une chambre de combustion plus petite que la chambre de combustion d'une chaudière à air atmosphérique, et des faisceaux de convection nettement moins conséquents. Le coût et le poids seront donc minorés, la seconde de ces caractéristiques étant de première importance en cas d'installations d'offshore. Par rapport à une chaudière alimentée en oxygène avec recyclage de CO2.- There is a decrease in the volume of fumes produced. This reduction leads to a decrease in convective exchanges and, consequently, convection heat exchanger surfaces. The oxy-combustion boiler according to the invention will, at similar power and efficiency, a combustion chamber smaller than the combustion chamber of an atmospheric air boiler, and convection beams significantly less consistent. The cost and weight will therefore be reduced, the second of these characteristics being of prime importance in the case of offshore installations. Compared to a boiler fueled with oxygen with CO 2 recycling.
Pour se soustraire aux difficultés engendrées par le niveau élevé de température de la combustion avec de l'oxygène une solution consiste à diluer la flamme par un recyclage de CO2 en provenance de 1 'aval de la chaudière.In order to avoid the difficulties caused by the high temperature of the combustion with oxygen, one solution is to dilute the flame by recycling CO 2 from the downstream side of the boiler.
Les flux rayonnes directement de la zone de combustion seront ainsi plus faibles. Cependant, l'avantage de compacité disparaît puisque la surface de chambre de combustion sera alors du même ordre de grandeur que celle d'une chaudière à air atmosphérique.The fluxes radiated directly from the combustion zone will thus be lower. However, the compactness advantage disappears since the combustion chamber surface will then be of the same order of magnitude as that of an atmospheric air boiler.
Le recyclage des fumées ou du CO2 entraîne la nécessité d'un réseau de recyclage relativement conséquent avec une consommation énergétique supplémentaire pour le ventilateur de recyclage. Un recyclage, quel qu'il soit, entraîne toujours des inconvénients, absents dans le cadre de l'invention:The recycling of fumes or CO 2 leads to the need for a relatively large recycling network with additional energy consumption for the recycling fan. Recycling, whatever it is, always entails disadvantages, absent in the context of the invention:
- Si les fumées recyclées sont prises directement à la sortie de la chaudière, le recyclage n'affecte pas le rendement thermique de la chaudière, par contre la consommation d'énergie supplémentaire est importante du fait de la température et des volumes de gaz à recycler. Par ailleurs, il y aura lieu de tenir compte de la corrosion sulfurique si la température du fluide recyclé est proche de sa température de rosée.- If the recycled fumes are taken directly at the outlet of the boiler, the recycling does not affect the thermal efficiency of the boiler, on the other hand the additional energy consumption is important because of the temperature and the volumes of gas to be recycled. . In addition, it will be necessary to take into account the sulfuric corrosion if the temperature of the recycled fluid is close to its dew point temperature.
- Si le CO2 est repris après refroidissement et séparation des condensats acides, la consommation d'énergie supplémentaire sera réduite car sa température sera nettement plus faible, la condensation se faisant à basse température, par contre le rendement de la chaudière sera affecté par le réchauffage de ce CO2 jusqu'à la température de sortie de la chaudière.- If the CO 2 is resumed after cooling and separation of the acid condensates, the additional energy consumption will be reduced because its temperature will be much lower, the condensation being done at low temperature, against the efficiency of the boiler will be affected by the reheating this CO 2 to the outlet temperature of the boiler.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre sous pression (chaudière à chambre de combustion en pression) , ce qui peut offrir un avantage lorsque l'on souhaite réinjecter le CO2 produit. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais est susceptible de nombreuses variations aisément accessibles à l'homme de l'art. The method according to the invention can be implemented under pressure (combustion chamber boiler under pressure), which can offer an advantage when it is desired to reinject the CO 2 product. The invention is not limited to the embodiments described but is capable of numerous variations easily accessible to those skilled in the art.

Claims

REVENDICATIONS
1. Chaudière adaptée à l'oxy-combustion (20, 30) comprenant une chambre de combustion (21, 31), un réchauffeur d'eau (22, 33) et un vaporiseur (23, 24, 38, 40), dans laquelle la chambre de combustion (21, 31) comprend au moins en partie le réchauffeur d'eau (22, 33).A boiler adapted for oxy-combustion (20, 30) comprising a combustion chamber (21, 31), a water heater (22, 33) and a vaporizer (23, 24, 38, 40), in which the combustion chamber (21, 31) comprises at least in part the water heater (22, 33).
2. Chaudière selon la revendication 1, dans laquelle la chambre de combustion comprend totalement le réchauffeur.2. Boiler according to claim 1, wherein the combustion chamber completely comprises the heater.
3. Chaudière selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le réchauffeur (33) comprend un premier faisceau de tubes (53a, 53b) indépendants, selon un pas de 2 à 3.3. Boiler according to claim 1 or 2, wherein the heater (33) comprises a first bundle of tubes (53a, 53b) independent in a step of 2 to 3.
4. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le réchauffeur (33) comprend un premier faisceau de tubes (53a, 53b) cannelés intérieurement.4. Boiler according to one of claims 1 to 3, wherein the heater (33) comprises a first bundle of tubes (53a, 53b) grooved internally.
5. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le vaporiseur est un vaporiseur par rayonnement.5. Boiler according to one of claims 1 to 4, wherein the vaporizer is a radiation vaporizer.
6. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le vaporiseur comprend un vaporiseur par rayonnement et un vaporiseur à convection.6. Boiler according to one of claims 1 to 4, wherein the vaporizer comprises a radiation vaporizer and a convection vaporizer.
7. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le vaporiseur est un vaporiseur à convection.7. Boiler according to one of claims 1 to 4, wherein the vaporizer is a convection vaporizer.
8. Chaudière selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle le vaporiseur par rayonnement (38) comprenant un second faisceau de tubes (52a, 52b) est disposé concentriquement autour du réchauffeur (33) comprenant un premier faisceau de tubes (53a, 53b) , dans la chambre de combustion. The boiler according to claim 5 or 6, wherein the radiation vaporizer (38) comprising a second tube bundle (52a, 52b) is concentrically disposed around the heater (33) comprising a first bundle of tubes (53a, 53b). , in the combustion chamber.
9. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre un ballon de séparation eau/vapeur, alimenté en eau par le réchauffeur, alimentant le vaporiseur en eau et alimenté par le vaporiseur en vapeur d'eau.9. Boiler according to one of claims 1 to 8, further comprising a water / steam separation tank, supplied with water by the heater, supplying the vaporizer with water and supplied by the vaporizer steam.
10. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle le réchauffeur d'eau (22, 33) est disposé à l'intérieur de la chambre de combustion (21, 31) .10. Boiler according to one of claims 1 to 9, wherein the water heater (22, 33) is disposed within the combustion chamber (21, 31).
11. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle le réchauffeur d'eau (22, 33) fonctionne à contre-courant des produits de combustion de la chambre de combustion (21, 31) .11. Boiler according to one of claims 1 to 10, wherein the water heater (22, 33) operates against the flow of the combustion products of the combustion chamber (21, 31).
12. Chaudière selon l'une des revendications 1 à 11, comprenant en outre un surchauffeur.Boiler according to one of claims 1 to 11, further comprising a superheater.
13 o Procédé de génération d'eau chaude par oxy-combustion, comprenant le réchauffage d'eau froide par la flamme d'oxy-combustion en eau chaude.O Process for generating hot water by oxy-combustion, comprising reheating cold water by the oxy-combustion flame in hot water.
14. Procédé selon la revendication 13, comprenant en outre l'étape de vaporisation du fluide réchauffé produit.The method of claim 13, further comprising the step of vaporizing the heated fluid produced.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en œuvre par rayonnement .15. The method of claim 14, wherein the step of vaporization of the heated fluid is carried out by radiation.
16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en œuvre par convection.16. The method of claim 14, wherein the step of vaporization of the heated fluid is implemented by convection.
17. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en œuvre par rayonnement et par convection. 17. The method of claim 14, wherein the step of vaporization of the heated fluid is carried out by radiation and by convection.
18. Procédé selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel l'étape du réchauffage d'eau froide par la flamme d'oxy-combustion est mise en œuvre à contre- courant.18. Method according to one of claims 13 to 17, wherein the step of reheating cold water by the oxy-combustion flame is implemented against the current.
19. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel la température de la flamme d'oxy-combustion est comprise entre 2000 et 33000C, de préférence entre 2500 et 30000C.19. Method according to one of claims 13 to 18, wherein the temperature of the oxy-combustion flame is between 2000 and 3300 0 C, preferably between 2500 and 3000 0 C.
20. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel la température de l'eau froide est comprise entre 105 et 1700C et sa pression entre 8 et 500 bars.20. Method according to one of claims 13 to 18, wherein the temperature of the cold water is between 105 and 170 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
21. Procédé selon l'une des revendications 13 à 20, dans lequel la température du fluide réchauffé est comprise entre 170 et 6000C et sa pression entre 8 et 500 bars.21. Method according to one of claims 13 to 20, wherein the temperature of the heated fluid is between 170 and 600 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
22. Procédé selon l'une des revendications 13 à 21, dans lequel le fluide réchauffé comprend de l'eau et de la vapeur selon une proportion massique eau/vapeur variant de 100/0 à 50/50, de préférence de 100/0 à 70/30, et avantageusement de 95/5 à 80/20.22. Method according to one of claims 13 to 21, wherein the heated fluid comprises water and steam in a mass proportion water / vapor ranging from 100/0 to 50/50, preferably 100/0 at 70/30, and preferably from 95/5 to 80/20.
23. Procédé selon l'une des revendications 14 à 22, dans lequel la température de la vapeur produite est comprise entre 170 et 6000C et sa pression entre 8 et 500 bars.23. Method according to one of claims 14 to 22, wherein the temperature of the steam produced is between 170 and 600 0 C and its pressure between 8 and 500 bar.
24. Procédé selon l'une des revendications 14 à 23, comprenant en outre une étape de surchauffe de la vapeur produite.24. Method according to one of claims 14 to 23, further comprising a step of overheating the steam produced.
25. Procédé selon l'une des revendications 13 à 24, dans lequel la température des fumées après l'étape de réchauffage de l'eau est de 1200 à 6000C. l'25. Method according to one of claims 13 to 24, wherein the temperature of the fumes after the step of reheating water is 1200 to 600 0 C. the
26. Procédé selon l'une des revendications 13 à 25, dans lequel la température des fumées après étape de vaporisation est de 250 à 1500C.26. Method according to one of claims 13 to 25, wherein the temperature of the fumes after vaporization step is 250 to 150 ° C.
27. Procédé selon l'une des revendications 13 à 26, mis en oeuvre dans un dispositif dans selon l'une des revendications 1 à 12. 27. Method according to one of claims 13 to 26, implemented in a device in accordance with one of claims 1 to 12.
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