FR2758621A1 - Air gas consumer unit feed procedure, used e.g. for cryogenics - Google Patents

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Abstract

A procedure for feeding a consumer unit (HF) with an air gas consists of passing an initial air flow through a compressor (1), heating it after compression to at least 800 deg C and dividing the heated air into two parts, the first fed to the consumer unit and the second cooled and sent to an air separator (3) before feeding at least one product of the separation to the consumer unit. The product fed to the consumer unit can be a gas enriched in nitrogen and/or oxygen and/or argon, and the second part of the air flow can be cooled in a heat exchanger, used to produce steam or used to feed a turbine (12) which generates electricity. The steam can be used to power a compressor (10) of the air separator or the main compressor (1).

Description

La présente invention est relative à un procédé et à une installation d'alimentation d'une unité consommatrice d'un gaz de l'air. The present invention relates to a method and an installation for supplying an air gas consuming unit.

En particulier, elle concerne un procédé et une installation d'alimentation d'une unité consommatrice d'un gaz à température élevée. In particular, it relates to a method and an installation for supplying a unit consuming a gas at high temperature.

II est connu par exemple d'alimenter un haut-fourneau en un gaz enrichi en oxygène utilisant une installation comportant une soufflante (1) qui comprime une grande quantité d'air (Fig. 1). It is known, for example, to supply a blast furnace with an oxygen-enriched gas using an installation comprising a blower (1) which compresses a large quantity of air (FIG. 1).

Cet air est enrichi en oxygène en y mélangeant un débit d'oxygéne pur ou impur provenant d'un appareil de séparation d'air, généralement du type cryogénique. L'air enrichi en oxygène passe ensuite dans un moyen de chauffage (3) du genre cowpers d'où il sort à une température d'environ 1000 "C prêt à être utilisé dans le haut-fourneau.  This air is enriched with oxygen by mixing a flow of pure or impure oxygen from an air separation device, generally of the cryogenic type. The oxygen-enriched air then passes through a cowpers-type heating means (3) from which it leaves at a temperature of approximately 1000 "C ready to be used in the blast furnace.

L'injection de charbon pulvérisé aux hauts-fourneaux implique souvent la réduction du débit de vent, donc moins d'air comprimé et une charge moindre du COWPERS qui sert à chauffer l'air. Injecting pulverized coal into blast furnaces often involves reducing the wind flow, therefore less compressed air and a lower load of COWPERS which is used to heat the air.

II est un but de la présente invention d'intégrer les procédés de séparation d'air et d'alimentation d'unité consommatrice d'un gaz de l'air afin de disposer d'une source d'énergie supplémentaire. It is an object of the present invention to integrate the methods of separating air and supplying a unit consuming a gas from the air in order to have an additional energy source.

Un autre but de cette invention est de valoriser le gaz excédentaire aux besoins en gaz de l'air d'une unité consommatrice d'un tel gaz. Another object of this invention is to recover the excess gas from the air gas requirements of a unit consuming such a gas.

Selon un objet de l'invention il est prévu un procédé d'alimentation d'une unité consommatrice d'un gaz de l'air dans lequel on comprime dans un compresseur un débit d'air, on réchauffe le débit comprimé, on divise le débit chauffé en un premier débit qui est envoyé directement à l'unité et un deuxième débit qui est refroidi et envoyé à un appareil de séparation d'air où il est séparé et on envoie un produit de l'appareil de séparation d'air à l'unité. According to an object of the invention there is provided a method for supplying a unit consuming an air gas in which an air flow is compressed in a compressor, the compressed flow is heated, the heated flow in a first flow which is sent directly to the unit and a second flow which is cooled and sent to an air separation device where it is separated and a product is sent from the air separation device to unity.

Selon un autre objet de l'invention il est prévu une installation d'alimentation d'unité consommatrice d'un gaz de l'air comprenant:
un compresseur principal,
un appareil de séparation d'air,
un moyen de chauffage,
des moyens reliant le compresseur principal avec le moyen de chauffage,
des moyens reliant le moyen de chauffage avec l'unité consommatrice d'un gaz de l'air et l'appareil de séparation d'air,
des moyens reliant l'appareil de séparation d'air avec l'unité consommatrice d'un gaz de l'air,
caractérisée en ce que l'appareil de séparation d'air est en aval du moyen de chauffage.According to another object of the invention, an installation for supplying a unit consuming an air gas is provided, comprising:
a main compressor,
an air separation device,
a means of heating,
means connecting the main compressor with the heating means,
means connecting the heating means with the unit consuming an air gas and the air separation device,
means connecting the air separation device with the unit consuming an air gas,
characterized in that the air separation device is downstream of the heating means.

L'invention permet d'utiliser les équipements existants (à savoir, le moyen de compression et le moyen de chauffage), par exemple, le COWPERS et le gaz de haut-fourneau, pour produire ainsi de l'air comprimé et de l'énergie, qui peut avoir plusieurs applications. Par exemple, elle peut couvrir au moins en partie les besoins énergétiques de l'appareil de séparation d'air. The invention makes it possible to use existing equipment (i.e., compression means and heating means), for example, COWPERS and blast furnace gas, to thereby produce compressed air and energy, which can have multiple applications. For example, it can at least partially cover the energy needs of the air separation device.

L'invention se révèle particulièrement intéressante dans le cas où l'unité consommatrice d'un gaz de l'air est un haut-fourneau modifié pour augmenter l'injection de charbon ou un autre combustible. Tout en exploitant les équipements au même régime qu'auparavant, I'utilisateur verra une réduction du coût pour le gaz provenant de l'appareil de séparation, les besoins énergétiques de celui-ci étant au moins partiellement couverts par la génération d'énergie résultant de la valorisation de la chaleur transmise au gaz d'alimentation de l'appareil de séparation d'air. The invention proves to be particularly advantageous in the case where the unit consuming an air gas is a blast furnace modified to increase the injection of coal or another fuel. While operating the equipment at the same rate as before, the user will see a reduction in the cost for the gas coming from the separation apparatus, the energy needs of the latter being at least partially covered by the resulting energy generation recovery of the heat transmitted to the supply gas of the air separation unit.

Les figures 2 et 3 montrent des schémas d'installations selon la présente invention. Figures 2 and 3 show diagrams of installations according to the present invention.

Dans la figure 2, une soufflante 1 comprime de l'air qui est ensuite réchauffé à environ 1000"C dans un moyen de chauffage du type cowpers 2. L'air est ensuite divisé en deux débits dont le premier 7 est envoyé directement à une unité consommatrice d'air enrichi en oxygène, en l'occurence un haut fourneau HF. In FIG. 2, a blower 1 compresses air which is then reheated to approximately 1000 "C in a heating means of the cowpers type 2. The air is then divided into two flows, the first of which 7 is sent directly to a unit consuming oxygen-enriched air, in this case an HF blast furnace.

Un deuxième débit d'air est refroidi, libérant ainsi de la chaleur, jusqu'à la température ambiante ou une température inférieure à la température de l'air à la sortie du moyen de chauffage 2 avant de passer dans un appareil de séparation d'air cryogénique 2 où il est séparé en un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote. Si tout l'air pour la distillation n'est pas fourni par le deuxième débit 8, on peut prévoir une source d'air supplémentaire comprenant un compresseur d'air 10 (en pointillés). Le débit enrichi en oxygène Il est soit envoyé au haut fourneau après avoir été mélangé avec le débit 7 soit envoyé à une autre unité consommatrice. A second air flow is cooled, thereby releasing heat, to room temperature or a temperature below the temperature of the air at the outlet of the heating means 2 before passing into a separation device. cryogenic air 2 where it is separated into a flow enriched in oxygen and a flow enriched in nitrogen. If all the air for distillation is not supplied by the second flow 8, an additional air source can be provided, comprising an air compressor 10 (in dotted lines). The oxygen-enriched flow rate It is either sent to the blast furnace after being mixed with flow rate 7 or sent to another consuming unit.

Du charbon en poudre 13 est également envoyé au haut fourneau; éventuellement un autre combustible tel que le gaz naturel peut être utilisé. Coal powder 13 is also sent to the blast furnace; optionally another fuel such as natural gas can be used.

La chaleur libérée en refroidissant l'air destiné à l'appareil de séparation 2 sert à vaporiser de l'eau pour former de la vapeur. La vapeur est ensuite détendue dans la turbine 12 pour produire de l'électricité qui peut être envoyé au réseau ou qui peut servir pour pourvoir aux besoins énergétiques de l'installation (par exemple, pour alimenter la soufflante 1, le compresseur 10 ou un autre compresseur de l'appareil de séparation d'air. The heat released by cooling the air intended for the separation device 2 is used to vaporize water to form vapor. The steam is then expanded in the turbine 12 to produce electricity which can be sent to the network or which can be used to supply the energy needs of the installation (for example, to power the blower 1, the compressor 10 or another compressor of the air separation unit.

La turbine 12 peut également entraîner directement la soufflante ou un des compresseurs. The turbine 12 can also directly drive the blower or one of the compressors.

Dans le cas où la séparation est obtenu par voie noncryogénique(adsorption ou perméation), L'énergie générée par la vapeur peut pourvoir au besoin énergétique de l'installation,comme pour la cryogénie. In the case where the separation is obtained by a noncryogenic route (adsorption or permeation), the energy generated by the steam can provide for the energy requirement of the installation, as for cryogenics.

La chaleur peut bien évidemment servir à chauffer d'autres fluides, directement ou indirectement. The heat can obviously be used to heat other fluids, directly or indirectly.

Par exemple, elle peut chauffer directement un débit enrichi en azote (tel que de l'azote pur) provenant de l'appareil de séparation avant de détendre ce débit, augmentant ainsi le travail produit par la turbine d'azote. For example, it can directly heat a flow enriched in nitrogen (such as pure nitrogen) coming from the separation device before reducing this flow, thus increasing the work produced by the nitrogen turbine.

L'oxygène peut également être chauffé avant d'être mélangé avec le débit 7. Oxygen can also be heated before being mixed with flow 7.

Alternativement, elle peut amener à la température requise un gaz destiné à régénérer l'unité d'épuration d'un appareil de séparation d'air. Alternatively, it can bring to the required temperature a gas intended to regenerate the purification unit of an air separation device.

Dans la figure 3, une soufflante comprime de l'air qui est chauffé à 1100 "C dans un COWPERS 2. L'air est divisé en une première partie 21, envoyée à un haut-fourneau (HF) et une deuxième partie 22 envoyée à une turbine de détente 30. Quand le haut-fourneau est hors service, tout l'air est envoyé soit uniquement à la turbine de détente 30 soit à la turbine 30 et à un appareil de séparation d'air 3. In Figure 3, a blower compresses air which is heated to 1100 "C in a COWPERS 2. The air is divided into a first part 21, sent to a blast furnace (HF) and a second part 22 sent to an expansion turbine 30. When the blast furnace is out of service, all the air is sent either only to the expansion turbine 30 or to the turbine 30 and to an air separation device 3.

L'air détendu dans la turbine 30 est envoyé à une unité de récupération de chaleur 5 constituée par une chaudière 5A et une turbine à vapeur 5B alimentée par la chaudière. The expanded air in the turbine 30 is sent to a heat recovery unit 5 consisting of a boiler 5A and a steam turbine 5B supplied by the boiler.

Eventuellement, I'air chaud 23 peut être envoyé à un appareil de séparation d'air 3. Le gaz enrichi en oxygène produit par cet appareil est envoyé au haut-fourneau (HF) tandis que l'azote rejoint la turbine de détente 30 pour être détendu.  Optionally, the hot air 23 can be sent to an air separation device 3. The oxygen-enriched gas produced by this device is sent to the blast furnace (HF) while the nitrogen joins the expansion turbine 30 to To be relaxed.

Claims (33)

REVENDICATIONS 1. Procédé d'alimentation d'une unité (HF) consommatrice d'un gaz de l'air dans lequel on comprime dans un compresseur (1) un débit d'air, on chauffe le débit comprimé, on divise le débit réchauffé en un premier débit (7) qui est envoyé à l'unité (HF) et un deuxième débit caractérisé en ce que l'on valorise l'énergie contenue dans le deuxième débit. 1. A method of supplying a unit (HF) consuming an air gas in which an air flow is compressed in a compressor (1), the compressed flow is heated, the heated flow is divided into a first flow (7) which is sent to the unit (HF) and a second flow characterized in that the energy contained in the second flow is valued. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le deuxième débit (8) est refroidi et envoyé à un appareil de séparation d'air (3) où il est séparé et on envoie au moins un produit de l'appareil de séparation d'air à l'unité (HF). 2. Method according to claim 1, wherein the second flow (8) is cooled and sent to an air separation device (3) where it is separated and at least one product is sent from the separation device. unit air (HF). 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le produit de l'appareil de séparation d'air (3) envoyé à l'unité (HF) est un gaz enrichi en azote etlou un gaz enrichi en oxygène etlou un gaz enrichi en argon. 3. Method according to claim 2 wherein the product of the air separation apparatus (3) sent to the unit (HF) is a gas enriched in nitrogen and / or a gas enriched in oxygen and / or a gas enriched in argon. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 dans lequel on chauffe le débit comprimé à au moins 800 "C.  4. Method according to claim 2 or 3 wherein the compressed flow is heated to at least 800 "C. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel on refroidit le deuxième débit d'air (8) par échange de chaleur avec un fluide, particulièrement de l'eau. 5. Method according to one of claims 2 to 4 wherein the second air flow (8) is cooled by heat exchange with a fluid, particularly water. 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le fluide se vaporise par échange de chaleur avec le deuxième débit d'air (8) pour former une vapeur. 6. The method of claim 5 wherein the fluid vaporizes by heat exchange with the second air flow (8) to form a vapor. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on détend la vapeur dans une turbine pour produire de l'énergie. 7. The method of claim 6, wherein the steam is expanded in a turbine to produce energy. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la turbine à vapeur est couplée à un compresseur (10) de l'appareil de séparation d'air ou au compresseur (1 ) de l'air destiné à l'unité (HF). 8. The method of claim 7 wherein the steam turbine is coupled to a compressor (10) of the air separation device or to the compressor (1) of the air for the unit (HF). 9. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on réchauffe un gaz provenant de l'appareil de séparation d'air (3) avec la vapeur. 9. The method of claim 6 wherein a gas from the air separation apparatus (3) is heated with steam. 10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel le gaz provenant de l'appareil de séparation (3) est détendu dans une turbine après avoir été réchauffé.  10. The method of claim 9 wherein the gas from the separation device (3) is expanded in a turbine after being heated. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10 dans lequel le gaz réchauffé provenant de l'appareil de séparation (3) sert ensuite à régénérer une unité d'épuration d'air de l'appareil de séparation ou d'une autre installation. 11. The method of claim 9 or 10 wherein the heated gas from the separation device (3) is then used to regenerate an air cleaning unit of the separation device or another installation. 12. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on envoie au moins une partie du deuxième débit à une turbine de détente (30), sauf quand cette unité ne marche pas. 12. The method of claim 1, wherein at least part of the second flow is sent to an expansion turbine (30), except when this unit does not work. 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel on envoie une partie du deuxième débit (8) à un appareil de séparation d'air (3). 13. The method of claim 12 wherein part of the second flow (8) is sent to an air separation device (3). 14. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on envoie l'air détendu dans la turbine (30) à une unité de récupération de chaleur (5). 14. The method of claim 1 wherein the expanded air in the turbine (30) is sent to a heat recovery unit (5). 15. Procédé selon la revendication 2 dans lequel l'unité de récupération de chaleur (5) et une chaudière (5A) éventuellement associée à une turbine à vapeur (5B). 15. The method of claim 2 wherein the heat recovery unit (5) and a boiler (5A) optionally associated with a steam turbine (5B). 16. Installation d'alimentation d'une unité (HF) consommatrice d'un gaz de l'air comprenant: 16. Installation for supplying a unit (HF) consuming an air gas comprising: - un compresseur principal (1) - a main compressor (1) - un moyen de chauffage (2) - a heating means (2) - des moyens reliant le compresseur principal avec le moyen de chauffage, - means connecting the main compressor with the heating means, - des moyens reliant le moyen de chauffage avec l'unité consommatrice d'un gaz de l'air - means connecting the heating means with the unit consuming an air gas caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour valoriser l'énergie d'une partie excédentaire (8) d'air comprimé dans le compresseur principal. characterized in that it comprises means for recovering the energy of an excess part (8) of compressed air in the main compressor. 17. Installation selon la revendication 16 comprenant un appareil de séparation d'air et des moyens reliant l'appareil de séparation d'air avec l'unité consommatrice d'un gaz de l'air. 17. Installation according to claim 16 comprising an air separation device and means connecting the air separation device with the unit consuming an air gas. 18.lnstallation selon la revendication 17 dans laquelle l'appareil de séparation d'air est relié avec le moyen de chauffage.  18. The installation as claimed in claim 17, in which the air separation apparatus is connected with the heating means. 19. Installation selon la revendication 18 dans laquelle un moyen de refroidissement (4) est connecté entre le moyen de chauffage (2) et l'appareil de séparation d'air. 19. Installation according to claim 18 wherein a cooling means (4) is connected between the heating means (2) and the air separation device. 20. Installation selon la revendication 19 dans laquelle le moyen de refroidissement (4) est un premier échangeur de chaleur permettant l'échange de chaleur entre un fluide chauffé dans le moyen de chauffage (2) et destiné à l'appareil de séparation d'air et un autre fluide. 20. Installation according to claim 19 in which the cooling means (4) is a first heat exchanger allowing the exchange of heat between a fluid heated in the heating means (2) and intended for the separation device. air and another fluid. 21. Installation selon la revendication 20 dans laquelle l'autre fluide est de l'eau ou un gaz provenant de l'appareil de séparation de l'air (3). 21. Installation according to claim 20, in which the other fluid is water or a gas coming from the air separation device (3). 22. Installation selon la revendication 21 dans laquelle l'autre fluide est de l'eau et comprenant des moyens pour recueillir la vapeur produite par la vaporisation de l'eau par échange de chaleur avec le fluide destiné à l'appareil de séparation d'air. 22. Installation according to claim 21 in which the other fluid is water and comprising means for collecting the vapor produced by the vaporization of the water by heat exchange with the fluid intended for the apparatus for separating air. 23. Installation selon la revendication 22 dans laquelle les moyens pour recueillir la vapeur sont reliés à une turbine de détente ou un deuxième échangeur de chaleur. 23. Installation according to claim 22 in which the means for collecting the steam are connected to an expansion turbine or a second heat exchanger. 24. Installation selon la revendication 23 dans laquelle le deuxième échangeur de chaleur permet le réchauffage d'un des produits de l'appareil de séparation d'air. 24. Installation according to claim 23 wherein the second heat exchanger allows the heating of one of the products of the air separation device. 25. Installation selon la revendication 24 dans laquelle le fluide est un gaz provenant de l'appareil de séparation de l'air (3) et comprenant des moyens pour relier le gaz réchauffé à une turbine de détente. 25. Installation according to claim 24 in which the fluid is a gas coming from the air separation device (3) and comprising means for connecting the heated gas to an expansion turbine. 26. Installation selon l'une des revendications 16 à 25 comprenant 26. Installation according to one of claims 16 to 25 comprising des moyens pour envoyer de l'air du moyen de chauffage à une turbine de détente (30). means for sending air from the heating means to an expansion turbine (30). 27. Installation selon la revendication 26 comprenant des moyens pour envoyer l'air détendu dans la turbine (30) à une unité de récupération de chaleur (50). 27. Installation according to claim 26 comprising means for sending the expanded air in the turbine (30) to a heat recovery unit (50). 28. Installation selon la revendication 27 dans laquelle l'unité de récupération de chaleur (5) est une chaudière (5A) éventuellement associée à une turbine (5B).  28. Installation according to claim 27 wherein the heat recovery unit (5) is a boiler (5A) possibly associated with a turbine (5B). 29. Installation selon l'une des revendications 26 et 28 comprenant des moyens pour prendre de l'air soit en aval soit en amont du moyen de chauffage (2) et des moyens pour envoyer cet air à un appareil de séparation d'air (3). 29. Installation according to one of claims 26 and 28 comprising means for taking air either downstream or upstream of the heating means (2) and means for sending this air to an air separation device ( 3). 30. Installation selon la revendication 29 comprenant des moyens pour envoyer un gaz enrichi en oxygène de l'appareil de séparation d'air (3) à l'unité (HF) consommatrice d'un gaz de l'air. 30. Installation according to claim 29 comprising means for sending an oxygen-enriched gas from the air separation device (3) to the unit (HF) consuming an air gas. 31. Installation selon les revendications 29 ou 30 comprenant des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote de l'appareil de séparation d'air (3) à la turbine de détente (30). 31. Installation according to claims 29 or 30 comprising means for sending a nitrogen-enriched gas from the air separation device (3) to the expansion turbine (30). 32. Installation selon l'une des revendications 17 à 31 dans laquelle l'appareil de séparation d'air (3) est un appareil de distillation cryogénique, un appareil du type PSA ou un appareil de perméation. 32. Installation according to one of claims 17 to 31 wherein the air separation device (3) is a cryogenic distillation device, a PSA type device or a permeation device. 33. Installation selon l'une des revendications 17 à 32 dans laquelle le moyen de chauffage (2) est un cowpers et l'unité consommatrice (HF) d'un gaz de l'air est un haut fourneau.  33. Installation according to one of claims 17 to 32 wherein the heating means (2) is a cowpers and the consuming unit (HF) of an air gas is a blast furnace.
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