Claims (31)
RESUME DE L'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 pet à la vapeur (fluides froids). L'invention fournit une chaudière adaptée à l'oxycombustion comprenant une chambre de combustion, un 22279.doc-08/07/04-3/20 réchauffeur d'eau et un vaporiseur, dans laquelle la chambre de combustion comprend au moins en partie le réchauffeur d'eau. Selon un mode de réalisation, la chambre de combustion 5 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. 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. Selon une seconde variante, le vaporiseur comprend un vaporiseur par rayonnement et un vaporiseur à convection. Selon une troisième variante, le vaporiseur est un vaporiseur à convection. 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. Selon un mode de réalisation, le réchauffeur d'eau est disposé à l'intérieur de la chambre de combustion. Selon un mode de réalisation, le réchauffeur d'eau fonctionne à contrecourant des produits de combustion de la chambre de combustion. L'invention fournit encore un procédé de génération d'eau chaude par oxycombustion, comprenant le réchauffage d'eau froide par la flamme d'oxycombustion en eau chaude (fluide réchauffé). Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre l'étape de vaporisation du fluide réchauffé produit. Selon une première variante, l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en uvre par rayonnement.SUMMARY OF THE INVENTION The invention is based on the concept of inversion, with respect to a conventional boiler, of the general circulation of the products of combustion (hot fluid) to steam water (cold fluids). The invention provides a boiler adapted to oxycombustion comprising a combustion chamber, a water heater and a vaporizer, wherein the combustion chamber comprises at least in part the water heater. According to one embodiment, the combustion chamber 5 completely comprises the heater. According to one embodiment, the heater comprises a first independent tube bundle, in a pitch of 2 to 3. 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. According to a second variant, the vaporizer comprises a radiation vaporizer and a convection vaporizer. According to a third variant, the vaporizer is a convection vaporizer. 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. According to one embodiment, the water heater is disposed inside the combustion chamber. According to one embodiment, the water heater operates countercurrent combustion products of the combustion chamber. The invention further provides a method of generating hot water by oxycombustion, comprising reheating cold water by the flame oxyfuel flame in hot water (heated fluid). According to one embodiment, the method further comprises the step of vaporizing the heated fluid produced. According to a first variant, the step of vaporizing the heated fluid is carried out by radiation.
22279.doc-08/07/04-4/20 Selon une seconde variante, l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en oeuvre par convection. In a second variant, the vaporization step of the heated fluid is carried out by convection.
Selon une troisième variante, l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en oeuvre par rayonnement et par convection. According to a third variant, the step of vaporization of the heated fluid is carried out by radiation and by 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 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 10 flamme d'oxycombustion est comprise entre 2000 et 3300 C, de préférence entre 2500 et 3000 C. According to one embodiment, the temperature of the oxyfuel combustion flame is between 2000 and 3300 C, preferably between 2500 and 3000 C.
Selon un mode de réalisation, la température de l'eau froide est comprise entre 105 et 170 C et sa pression entre 8 et 500 bars. According to one embodiment, the temperature of the cold water is between 105 and 170 C and its pressure between 8 and 500 bar.
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 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 600 C et sa pression entre 8 et 500 bars. According to one embodiment, the temperature of the heated fluid is between 170 and 600 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 600 C et sa pression entre 8 et 500 bars. According to one embodiment, the temperature of the steam produced is between 170 and 600 ° C and its pressure between 8 and 500 bar.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une étape de surchauffe de la vapeur produite. 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 600 C. According to one embodiment, the temperature of the fumes after the step of reheating water is 1200 to 600 C.
Selon un mode de réalisation, la température des fumées après l'étape de vaporisation est de 250 à 150 C. According to one embodiment, the temperature of the fumes after the vaporization step is 250 to 150 C.
Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention. The method according to the invention is advantageously used in the device according to the invention.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURESBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
- La figure 1 est une représentation schématique de la circulation des fluides dans une chaudière conventionnelle; 22279.doc-08/07/04-5/20 - La figure 2 est une représentation schématique de la circulation des fluides dans une chaudière selon l'invention; - La figure 3 est une représentation de la 5 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. - Figure 1 is a schematic representation of the flow of fluids in a conventional boiler; 22279.doc-08/07 / 04-5 / 20 - Figure 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.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION DE L'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. Le surchauffeur produit de la vapeur d'eau à une température allant jusqu'à plus de 600 C. DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION Referring to FIG. 1, there is described 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 lowest temperature difference. The superheater produces steam at a temperature of up to over 600 C.
En référence à la figure 2, on décrit une chaudière selon l'invention adaptée à l'oxy-combustion. Dans celle-ci, le fluide froid est mis en contact avec les produits de combustion les plus chauds. Le terme de "oxycombustion" 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 rayonnés 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. Referring to Figure 2, there is described a boiler according to the invention adapted to oxy-combustion. In this, the cold fluid is brought into contact with the hottest combustion products. The term "oxycombustion" 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 / m2 and preferably between 300 and 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. 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. 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 22279.doc-08/07/04-6/20 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 vapeur (Steam Assisted Gravity Drainage, SAGD). L'invention est particulièrement adaptée à la génération de vapeur haute pression pour l'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. The invention is applicable to many fields. It can be applied to the generation of electricity from fossil fuels, which would no longer be penalized by CO2 emissions. It can be applied to the production of heavy oils in the framework of an activation of the production by vapor injection in the deposit (activation of heavy oil fields at steam), for example by the so-called Steam Assisted Gravity Drainage (SAGD) technique. The invention is particularly suitable for the generation of high pressure steam for the 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 Oil 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 CO2 is reinjected into the wells, either to get rid of them, or as part of the technique of enhanced oil 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 22279.doc-08/07/04-7/20 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 exiting the heater 22 is sent into a flask which separates the gaseous part from the liquid part 22279.doc-08/07 / 04-7 / 20. 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 mainly absorbs the heat transmitted by convection of the hot gases unlike the primary vaporizer which essentially absorbs the 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 level of the secondary vaporizer, that is to say immediately upstream or at the same level as this one, 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 3000 C. 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 170 C 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 C. A heater 33 is coincident with the combustion chamber 31. This heater is supplied with cold water through 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 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 22279.doc-08/07/04-8/20 température entre 170 et 600 C 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 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 l'invention se situent dans les plages suivantes: une température entre 170 et 600 C et une pression entre 8 et 500 bars. 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 bar. In general, the characteristics of the steam produced in the invention are in the following ranges: a temperature between 170 and 600 C and a pressure between 8 and 500 bar.
En sortie de la chambre de combustion, c'est-à-dire en sortie du vaporiseur primaire, la température des gaz est alors d'environ 1000 C à 1300 C. 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. 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 in order 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.
Cependant, la température de 1000 C à 1300 C 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 357 C sous une pression d'environ 180 bars. Les fumées quittent enfin la chaudière par la cheminée 43. However, since the temperature of 1000.degree. C. to 1300.degree. C. at the outlet of the radiant zone is fixed for the reasons indicated above of economic optimum, it is possible here to use, in order to increase the quantity of vapor produced, to 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 about 357 ° C. under a pressure of about 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. Optionally, it is possible to provide a separator 44 for separating the exhaling gases from the water formed during combustion, in particular by condensation.
22279.doc-08/07/04-9/20 Un courant de CO2 sensiblement sec est alors extrait par la conduite 45. 22279.doc-08/07 / 04-9 / 20 A substantially dry CO2 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. In the following, there is described more particularly certain elements of the boiler according to the invention, namely water heater, primary vaporizer by radiation, secondary convection vaporizer and superheater.
Réchauffeur d'eau 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 lisses 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. Water Heater As has been said previously, the combustion chamber is constituted essentially, and more particularly around the combustion zone, by the water heater. This water heater will generally comprise straight tubes, preferably smooth externally. 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 35 l'autre secondaire par convection. The vaporization section of the water comprises two separate vaporizers, one primary by radiation and the other secondary by convection.
Vaporiseur primaire par rayonnement Le vaporisateur par rayonnement est situé juste au-dessous du réchauffeur d'eau, si les brûleurs sont situés 22279.doc-08/07/04-10/20 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. 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.
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. 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.
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 1300 C. 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 dimensioned so that the flue gas temperature at the outlet of the combustion chamber is between 1000 and 1300 C.
La répartition de la quantité d'énergie transmise à chacun des deux échangeurs sera fonction de la pression de la vapeur de la chaudière. The distribution of the amount of energy transmitted to each of the two heat exchangers will be a function of the steam pressure of the boiler.
Vaporiseur secondaire à convection 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 22279.doc-08/07/04-11/20 permettent. Les fumées admises à l'entrée de ce vaporiseur à une température comprise entre 1000 et 1300 C sont refroidies jusqu'à une température de 10 à 20 C supérieure à la température de vaporisation par exemple. Secondary convection vaporizer 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. The fumes admitted to the inlet of this vaporizer at a temperature between 1000 and 1300 C are cooled to a temperature of 10 to 20 C higher than the vaporization temperature for example.
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. 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.
Entre chacun de ces faisceaux, un dispositif de désurchauffe par injection d'eau permettra le contrôle de la température de la vapeur surchauffée. Between each of these beams, a desuperheating device by water injection will control the temperature of the superheated steam.
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. 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. 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. 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. 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 22279.doc-08/07/04-12/20 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. 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 vaporizer beams.
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. 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: Par rapport à une chaudière alimentée en air atmosphérique. The invention offers, compared to conventional boilers, the following advantages: Compared with a boiler supplied 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. Combustion with pure oxygen considerably reduces nitrogen ballast, which facilitates the capture of CO2.
Cette diminution du ballast d'azote offre les 30 avantages suivants: - 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 triatomiques sont rayonnants, 22279-15/09/04-13/20 contrairement aux gaz diatomiques). On a donc une diminution notable des surfaces d'échange nécessaires. This reduction in nitrogen ballast has the following advantages: an increase in the 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 CO2 + H2O increases the emissive power of the fumes (in fact the triatomic gases are radiating, 22279-15 / 09 / 04-13 / 20 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. 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.
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. 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.
Par rapport à une chaudière alimentée en oxygène avec recyclage de CO2. Compared to a boiler fueled with oxygen with CO2 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 l'aval de la chaudière. To avoid the difficulties caused by the high temperature of the combustion with oxygen solution is to dilute the flame by a CO2 recycle from the downstream of the boiler.
Les flux rayonnés 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 flux 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: - 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 22279.doc-08/07/04-14/20 corrosion sulfurique si la température du fluide recyclé est proche de sa température de rosée. The recycling of fumes or CO2 leads to the need for a relatively large recycling network with additional energy consumption for the recycling fan. Recycling, whatever it is, always entails drawbacks, absent in the context of the invention: - 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. On the other hand, sulfuric corrosion should be taken into account 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 CO2 is recovered 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 heating of this CO2 up to the outlet temperature of the boiler.
Le procédé selon l'invention peut être mis en uvre sous pression (chaudière à chambre de combustion en pression), ce qui peut offrir un avantage lorsque l'on souhaite réinjecter le CO2 produit. The process according to the invention can be carried out under pressure (combustion chamber boiler under pressure), which can offer an advantage when it is desired to reinject the CO2 produced.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation 15 décrits mais est susceptible de nombreuses variations aisément accessibles à l'homme de l'art. 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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16 REVENDICATIONS16 CLAIMS
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) 30 22279.doc-08/07/04-16/20 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 bundle of tubes (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. Procédé de génération d'eau chaude par oxycombustion, comprenant le réchauffage d'eau froide par la flamme d'oxy-combustion en eau chaude. 13. A method of generating hot water by oxycombustion, comprising heating 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 uvre par rayonnement. 10 15 15. The method of claim 14, wherein the step of vaporization of the heated fluid is carried out by radiation. 10 15
22279.doc-08/07/04-17/20 2872886 18 16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en uvre par convection. The method of claim 14, wherein the step of vaporizing the heated fluid is carried out by convection.
17. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de vaporisation du fluide réchauffé est mise en oeuvre 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 oeuvre 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 carried out against the current.
19. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel la température de la flamme d'oxycombustion est comprise entre 2000 et 3300 C, de préférence entre 2500 et 3000 C. 19. Method according to one of claims 13 to 18, wherein the temperature of the oxyfuel combustion flame is between 2000 and 3300 C, preferably between 2500 and 3000 C.
20. Procédé selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel la température de l'eau froide est comprise entre 105 et 170 C 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 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 600 C 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 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 15 22279.doc-09/07/04-18/20 2872886 19 est comprise entre 170 et 600 C et sa pression entre 8 et 500 bars. 23. The process as claimed in one of claims 14 to 22, wherein the temperature of the steam produced is between 170 and 600 ° C and its pressure between 8 and 20 ° C. 500 bars.
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 600 C. 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 C.
26. Procédé selon l'une des revendications 13 à 25, dans lequel la température des fumées après l'étape de vaporisation est de 250 à 150 C. 26. Method according to one of claims 13 to 25, wherein the temperature of the fumes after the vaporization step is 250 to 150 C.
27. Procédé selon l'une des revendications 13 à 26, mis en uvre 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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