FR2890954A1 - Procede de production de gaz de synthese a l'aide d'un gaz oxygene produit par au moins une turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de production de gaz de synthèse sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz dans lequel le gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est valorisé dans une combustion mise en oeuvre sur le site industriel ou dans une unité de récupération de chaleur du site industriel. De préférence, le gaz oxygéné de la turbine à gaz est utilisé comme comburant de la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse. L'invention concerne également un procédé de contrôle de l'introduction dans un réacteur de gaz de synthèse du gaz oxygéné nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse et un dispositif associé.
Description
La présente invention concerne un procédé de production de gaz de synthèse
et d'électricité dans lequel le comburant nécessaire à la combustion pour permettre la
réaction de formation du gaz de synthèse est constitué d'un gaz oxygéné produit par au moins une turbine à gaz.
L'invention touche différents secteurs d'activité, tels que la chimie lourde, les industries pétrochimiques, l'industrie de raffinage, l'industrie énergétique, toutes concernées par la protection environnementale. Toutes ces industries peuvent mettre en oeuvre la conversion d'hydrocarbures lourds en produits chimiques valorisables au moyen de la production d'un gaz de synthèse. Un gaz de synthèse est un mélange gazeux qui contient au moins CO, H2, CH4, CO2, N2, Ar et H2O obtenu par le reformage à la vapeur ("steam methane reforming" ou SMR en anglais, par l'oxydation partielle d'hydrocarbures ("partial oxydation" ou PDX en anglais), par réformage autothermique ("autothermal reforming" ou ATR en anglais), par reformage convectif ("convective reforming" en anglais), par réformage secondaire ("secondary reforming" en anglais) ou par réformage par l'échange de chaleur ("heat exchange reforming" en anglais). Tous ces procédés mettent en oeuvre une réaction de combustion afin d'apporter la chaleur nécessaire à la réaction de formation du gaz de synthèse.
La présente invention concerne les sites de production de gaz de synthèse dans lesquels au moins une turbine à gaz est également présente. Selon l'invention, on entend par "turbine à gaz" (TAG), un dispositif comprenant au moins un compresseur d'air, une chambre de combustion et une turbine de détente. Le site peut comprendre plusieurs turbines à gaz. Dans la turbine à gaz, l'air comprimé produit est introduit avec au moins un combustible dans la chambre de combustion de la turbine et les gaz de combustion produits passent à travers la turbine de détente pour produire de l'électricité au moyen d'un alternateur. Généralement, ces gaz passent ensuite à travers une chaudière de récupération de chaleur pour produire de la vapeur. Le combustible de la turbine à gaz est habituellement du gaz naturel, mais peut comprendre de l'hydrogène ou du gaz de synthèse provenant de l'unité de production du gaz de synthèse ou un combustible liquide hydrocarboné.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de production de gaz de synthèse présentant une efficacité énergétique améliorée par combinaison du procédé de production du gaz de synthèse et d'une unité de cogénération par rapport à un cas où ce procédé et cette unité ne sont pas combinés.
Dans ce but, l'invention concerne un procédé de production de gaz de synthèse sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz dans lequel le gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est valorisé dans une réaction de combustion mise en oeuvre sur le site industriel ou dans une unité de récupération de chaleur du site industriel.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Des formes et des modes de réalisation de l'invention sont donnés à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par les dessins joints dans lesquels: - les figures 1 à 3 sont des vues schématiques d'au moins trois variantes du procédé de production de gaz de synthèse selon l'invention produisant en outre de l'électricité et de l'air préchauffé, - les figures 4 à 8 sont des schémas du dispositif de distribution d'un gaz oxygéné principal et d'un gaz oxygéné secondaire dans un réacteur de gaz de synthèse et dans l'unité de récupération de chaleur liée avec l'unité de production de gaz de synthèse.
L'invention concerne donc un procédé de production de gaz de synthèse sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz dans lequel le gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est valorisé dans une réaction de combustion mise en oeuvre sur le site industriel ou dans une unité de récupération de chaleur du site industriel et, plus particulièrement, un procédé de production de gaz de synthèse dans lequel le comburant nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse est constitué d'un gaz oxygéné produit par au moins une turbine à gaz. Les équipements permettant d'obtenir le gaz de synthèse brut peuvent être un réacteur de réformage à la vapeur (SMR), suivi par un réacteur de réformage secondaire, ou un réacteur d'oxydation partielle (PDX) utilisant des hydrocarbures pour produire le gaz de synthèse brut. Le gaz de synthèse brut comprend de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et d'autres composés. Il peut également s'agir d'un réacteur pour la mise en oeuvre d'un procédé ATR ou d'un procédé de réformage par convection. Ces réactions de production de gaz de synthèse s'effectuent à haute température, ce qui nécessite une combustion au sein d'un réacteur pour la mise en oeuvre et le maintien de la réaction de synthèse. Il s'agit habituellement de la combustion de gaz naturel, mais le combustible peut comprendre également un liquide ou solide contenant des hydrocarbures. Cette combustion nécessite la présence d'un comburant, qui est selon l'invention, au moins en partie issu de la turbine à gaz.
Ainsi, ce comburant est un gaz oxygéné qui est tout ou partie du gaz d'échappement de la turbine à gaz. En effet, la turbine à gaz produit un gaz d'échappement comprenant généralement 13 % à 16 % en volume d'oxygène sur gaz humide. Selon l'invention, les gaz d'échappement sont récupérés et introduits dans les brûleurs du SMR, ATR, PDX ou du réformeur par convection pour la mise en oeuvre de la combustion nécessaire à la réaction de production du gaz de synthèse. Ces gaz d'échappement présentent généralement une température comprise entre 450 C et 650 C.
Une conséquence directe de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est que la chaleur produite lors de la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse peut ensuite être utilisée pour produire de la vapeur ou de l'air préchauffé. En effet, dans certains cas, du fait de l'utilisation du gaz oxygéné de la turbine à gaz, le procédé de production de gaz de synthèse produit un excédent de chaleur par rapport à un procédé n'utilisant que de l'air pour la combustion mise en oeuvre dans la production de gaz de synthèse. Cet excédent de chaleur peut être valorisé en chauffant tout type de fluide, et notamment, de l'eau ou de la vapeur d'eau ou de l'air par mise en contact au sein d'un échangeur de chaleur de ces derniers fluides avec le gaz de synthèse produit et/ou les fumées produites par la combustion au sein de réacteur de gaz de synthèse et/ou encore les fumées produites par la combustion dans la turbine à gaz.
Selon une variante de l'invention, une partie du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz peut être utilisée dans une unité de récupération de chaleur. Cette variante s'applique lorsque la turbine à gaz produit une quantité de gaz oxygéné supérieure à celle nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse.
L'excédent de gaz oxygéné peut alors être utilisé comme comburant dans la combustion mise en oeuvre par une unité de récupération de chaleur. Selon l'invention, l'unité de récupération de chaleur peut être la zone de récupération de chaleur de gaz de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. Cette zone est présente sur tous les sites de production de gaz de synthèse et permet de récupérer la chaleur des gaz d'échappement produits par la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse. La combustion mise en oeuvre au sein de cette zone est celle des hydrocarbures utilisés dans la production du gaz de synthèse et du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz. Cette zone est dénommée zone de récupération de chaleur du gaz de combustion dans la présente invention. L'unité de récupération de chaleur peut également être une unité de production de vapeur (on parle alors en anglais de "Heat Recovery Steam Generator" ou HRSG). Dans ce cas, la vapeur produite peut être utilisée pour créer de l'électricité au moyen d'une turbine à vapeur, ou encore, elle peut être utilisée pour un procédé industriel mettant en oeuvre de la vapeur (c'est alors un produit exporté du site). L'unité de récupération de chaleur peut également être un préchauffeur d'air (on parle alors en anglais de "Air Preheater").
Selon un mode particulier de l'invention, l'air comprimé par le compresseur de la turbine à gaz peut être chauffé dans un échangeur incorporé dans la zone convective de l'équipement permettant la production du gaz de synthèse.
L'invention concerne également un procédé de contrôle de l'introduction, dans la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse, du gaz oxygéné nécessaire à la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz, selon lequel: - lorsque la turbine à gaz fonctionne, au moins une partie du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse, - lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, de l'air atmosphérique ou de l'oxygène est introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. Le procédé de contrôle permet de maintenir l'introduction d'un gaz oxygéné dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, par exemple en cas d'arrêt. Dans ce cas, le gaz oxygéné utilisé dans la chambre de combustion peut être de l'air atmosphérique. Cet air est généralement introduit au moyen d'un ventilateur de soufflage ("forced draft fan" en anglais). Préalablement à son introduction dans le réacteur, cet air est préférablement chauffé à la température du gaz oxygéné sortant de la turbine à gaz, qui est de l'ordre de 450 C à 650 C, par exemple au moyen de brûleurs. Le gaz oxygéné secondaire peut être également de l'oxygène sous pression provenant d'une unité de séparation d'air ("Air Separation Unit" (ASU) en anglais), ce qui revient à mettre en oeuvre une oxycombustion. Cet oxygène peut être également introduit dans le réformeur secondaire du dispositif de production de gaz de synthèse.
Selon un mode particulier, le procédé de contrôle prévoit également que: lorsque la turbine à gaz fonctionne, au moins une partie du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est introduit dans une zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur, - lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, de l'air atmosphérique est introduit dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur.
En général, l'air atmosphérique est chauffé avant d'être introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse, dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur. L'air atmosphérique est généralement chauffé au moyen d'un brûleur. L'air atmosphérique introduit dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur peut être chauffé au moyen d'un brûleur alimenté par au moins une partie du gaz d'échappement produit par le dispositif de production de gaz de synthèse. La recirculation de ce gaz d'échappement permet d'augmenter la production de vapeur tout en réduisant la pression partielle de NON.
L'invention concerne ensuite un dispositif de distribution d'un gaz oxygéné principal et d'un gaz oxygéné secondaire dans au moins la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse constitué d'au moins deux conduits, - le premier conduit comprenant: une ouverture coopérant avec une source du gaz oxygéné principal et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal dans ledit premier conduit, une ouverture coopérant avec le deuxième conduit et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit vers le deuxième conduit, une ouverture permettant l'évacuation du gaz présent dans ledit conduit vers l'atmosphère, - le deuxième conduit comprenant: une ouverture coopérant avec le premier conduit et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal dans ledit deuxième conduit, une ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans ledit deuxième conduit, 20. un moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le second conduit, permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture, une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le deuxième conduit vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse.
L'invention concerne également une variante du dispositif précédent permettant la distribution du gaz oxygéné principal et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse et en outre dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou vers une unité de production de vapeur. Selon cette variante, le dispositif comprend trois conduits et: - le premier conduit comprend une autre ouverture coopérant avec le troisième conduit et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit vers le troisième conduit, - le troisième conduit comprend: une ouverture coopérant avec le premier conduit et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal dans ledit troisième conduit, une ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans ledit deuxième conduit, un moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le troisième conduit, permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture, une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le troisième conduit vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou vers l'unité de production de vapeur.
Ce dispositif est adapté à la mise en oeuvre du procédé de contrôle de l'introduction, dans les chambres de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse, du gaz oxygéné nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse précédemment défini. Il permet de choisir la nature du gaz oxygéné qui doit être introduit dans la chambre de combustion de l'unité de gaz de synthèse et dans la chaudière de l'unité de production de vapeur.
Un des moyens de contrôle des ouvertures permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire sont des trappes. Ces trappes permettent d'ouvrir ou fermer lesdites ouvertures: elles sont ouvertes pour introduire le gaz oxygéné secondaire dans les conduits et elles sont fermées pour empêcher l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans les conduits. Un autre moyen de contrôle des ouvertures permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire sont des soufflants d'air ("air blowers" en anglais).
Selon un mode particulier, au moins le deuxième et/ou le troisième conduit comprend un moyen de régulation du débit de gaz oxygéné principal. Ce moyen de régulation est généralement composé de volets ("inlet guide vanes" ou louvers en anglais). La régulation peut aller jusqu'à l'arrêt total du débit de gaz oxygéné principal.
Le premier conduit comprend une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans ce conduit vers l'atmosphère. Selon l'invention, l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit vers l'atmosphère est prévue lorsque la turbine à gaz est en charge partielle ou défaillante et ne produit pas de gaz oxygéné principal. L'évacuation partielle ou totale du gaz peut également être prévue lorsque la turbine à gaz fonctionne mais lorsque le dispositif de production de gaz de synthèse est en charge partielle ou arrêté.
Le dispositif précédent comprend habituellement des brûleurs ("duct burners" en anglais) placés dans le deuxième et le troisième conduits. Ces brûleurs permettent de chauffer les gaz oxygénés, ce qui est notamment utile lorsque le gaz oxygéné est de l'air atmosphérique ou de l'oxygène, ou lorsque l'on veut augmenter la production de vapeur en chauffant le gaz oxygéné principal présent dans le troisième conduit. Ainsi, les brûleurs sont généralement placés dans les deuxièmes et troisièmes conduits en aval de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans les conduits par rapport au sens de circulation du gaz oxygéné secondaire dans les conduits.
De préférence, le premier conduit comprend une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le conduit vers l'atmosphère. Cette l'ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le conduit vers l'atmosphère coopère généralement avec un conduit comprenant un moyen de régulation du débit de gaz oxygéné principal.
Enfin, l'invention concerne l'utilisation du dispositif précédent pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de l'introduction, dans la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse, du gaz oxygéné nécessaire à la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz, dans laquelle: - le gaz oxygéné principal distribué par le dispositif de distribution de gaz oxygéné est le gaz oxygéné produit par la turbine à gaz, - le gaz oxygéné secondaire distribué par le dispositif de distribution de gaz oxygéné est de l'air atmosphérique ou de l'oxygène, et - lorsque la turbine à gaz fonctionne, le moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le conduit correspondant assure la fermeture de cette ouverture, - lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, le moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le conduit correspondant assure l'ouverture de cette ouverture.
De préférence, lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, donc lorsque le moyen de contrôle des ouvertures permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans les conduits est ouvert, le gaz oxygéné est chauffé, par exemple au moyen de brûleurs placés dans les conduits.
Les figures 1 à 8 illustrent le dispositif et le procédé selon l'invention. Dans ces figures, les numéros ont la signification suivante: 1 Gaz de synthèse brut 2, 21, 22 Gaz oxygéné 3 Turbine à gaz 4 Volets Zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 6 7 8 9, 91, 92, 93, 94 10 12, 121 13 14 15 151 16 161 162 17 171 172 173 174 175 18 181, 182, 183 Vapeur issue du dispositif de production de gaz de synthèse Dispositif de production de gaz de synthèse Air atmosphérique Conduits de gaz oxygéné Ouverture du premier conduit 9 permettant l'introduction du gaz oxygéné principal Ouverture du deuxième conduit 91 permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire Trappe ou soufflant Ouverture du troisième conduit 92 permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire Trappe ou soufflant Vapeur Brûleurs Unité de production de vapeur Vapeur recyclée à l'unité de production de gaz de synthèse Volets Ouverture du conduit permettant l'évacuation du gaz oxygéné principal vers l'atmosphère Volets Ouverture du premier conduit 9 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers le deuxième conduit 91 Ouverture du second conduit 91 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse Unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse Réformeur secondaire Unité de séparation d'air (ASU) Oxygène purifié vers le réformeur secondaire Oxygène purifié en pression pour la combustion Oxygène purifié en forme gazeuse ou liquide destinée à l'exportation Matière première hydrocarbonée et/ou combustible Volets Gaz de synthèse refroidi Unité d'élimination de dioxyde de carbone 192 Gaz de synthèse à faible teneur en CO2 Brûleurs 211 Ouverture du premier conduit 9 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers le troisième conduit 92 212 Ouverture du troisième conduit 92 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 23 Eau 230 CO2 éliminé 24 Préchauffeur de chaudière Eau chaude 26 Unité de purification du gaz de synthèse (par exemple membrane produisant de l'oxogaz, avec un mélange H2/CO compris entre 1,1 et 2,1) 261 Unités de séparation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone 27 Air chaud exporté 28 Gaz de synthèse purifié 280 CO2 éliminé 281 Hydrogène purifié 282 CO purifié 283 CO2 éliminé pour recyclage vers le dispositif de production du gaz de synthèse 284 CO2 éliminé pour la compression et la liquéfaction 285 Mélange de gaz de purge utilisé comme combustible dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 286 Gaz de synthèse exporté (par exemple, oxogaz) 29 Ventilateur d'extraction Gaz d'échappement 300 Conduit de recyclage de gaz d'échappement 31 Unité de prétraitement des hydrocarbures 32 Contrôleur de la température de l'air 33 Mélange de gaz de purge de l'unité de purification 34 Gaz de synthèse utilisé comme combustible dans la turbine à gaz Air comprimé 36 Préchauffeur d'air 37 Gaz d'échappement 38 Alternateur 39 Alternateur 40, 401 Cheminée d'évacuation 41 Vapeur issu de la turbine à vapeur 42 Combustibles hydrocarbonés solides ou liquides 43 Vapeur exportée du site 44 Gaz d'échappement 45, 46 Volets 47 Vapeur pour la turbine à vapeur 48 Mélange de combustibles pour la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 49 Mélange d'hydrocarbures prétraités et de vapeur Turbine à vapeur 51 Condensats de vapeur issu de la turbine à vapeur 61 Vapeur issue de l'unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse 71 Matière première hydrocarbonée et/ou combustible autre que celle utilisée pour la production de gaz de synthèse 81, 82 Air atmosphérique comprimé par un soufflant La figure 1 est une vue schématique du procédé de production de gaz de synthèse selon l'invention, permettant en outre la production d'électricité, de vapeur et d'air préchauffé. Le gaz de synthèse 1 est produit à partir d'hydrocarbures 18 au sein de l'unité 7 soit par reformage à la vapeur, soit par oxydation partielle ou gazification, soit par reformage autothermique ou secondaire, soit par reformage convectif, soit par reformage par échange de chaleur avec un combustible hydrocarboné. La combustion met en oeuvre comme comburant un gaz oxygéné 21 qui est une partie du gaz oxygéné 2 produit par la turbine à gaz 3. Cette turbine à gaz est alimentée par des hydrocarbures 18 identiques à ceux utilisé pour la réaction de formation de gaz de synthèse ou d'hydrocarbures différents 71, elle produit de l'électricité 38 et/ou de l'air comprimé 35.
La chaleur dégagée par la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse dans la chambre de combustion de l'unité 7 est récupérée dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 qui produit de la vapeur 6 et chauffe l'air comprimé 35 produisant de l'air préchauffé 27, ce dernier provenant de l'air comprimé 35 produit par le compresseur de la turbine à gaz 3. La vapeur 6 vient s'additionner à celle 61 déjà produite par l'unité 17 de récupération de vapeur du dispositif de production du gaz de synthèse, ladite unité 17 étant destinée à récupérer la chaleur résiduelle dans le gaz de synthèse refroidi 19. Une partie 22 de l'air oxygéné 2 provenant de la turbine à gaz 3 alimente l'unité de récupération de chaleur 5, tout particulièrement pendant le déclenchement de l'unité de production de gaz de synthèse 7. Si la turbine à gaz 3 est défaillante et ne produit pas de gaz oxygéné 2, on utilise de l'air atmosphérique 8 comme comburant dans les chambres de combustion de l'unité 7 et/ou dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5. Cet air 8 est généralement préchauffé au moyen des brûleurs 120 et 20, alimentés par les combustibles 18 et/ou 71. Dans ce cas, le gaz d'échappement de la turbine 3 est évacué au moyen de la cheminée 40. Dans ce schéma, une partie 121 de la vapeur 12 produite par l'unité 17 de récupération de vapeur et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 peut être directement exportée, tandis qu'une autre partie 41 est exportée après avoir été détendue dans la turbine à vapeur 50 pour produire plus d'électricité 39 et des condensats de vapeur 51. Une autre partie 14 de la vapeur 12 produite forme un mélange 48 avec les hydrocarbures 18 avant leur introduction dans l'unité 7.
Comme dans toute unité de production de gaz de synthèse, un gaz d'échappement 37 est produit qui est extrait par le ventilateur 29 vers la cheminée d'évacuation 401. Le gaz de synthèse refroidi 19 est purifié dans l'unité d'élimination de dioxyde de carbone 191 pour produire un gaz de synthèse 192 avec environ 50 ppm de dioxyde de carbone. Une partie 283 ou la totalité 280 du CO2 éliminé peut être recyclé vers le dispositif de production de gaz de synthèse par mélange avec les hydrocarbures et la vapeur 14.
L'autre partie 284 ou la totalité 280 du CO2 éliminé peut être comprimé et liquéfié pour l'exportation. Une partie 34 du gaz de synthèse à faible teneur en CO2 est utilisé comme combustible dans la turbine à gaz 3. Le reste du gaz de synthèse à faible teneur en CO2 192 est purifié dans l'unité de purification 26 qui ajuste la ratio H2/CO pour produire un gaz de synthèse purifié 28 dont une partie 286 est exporté. Les produits 33 éliminés du gaz de synthèse 192 à faible teneur en CO2 peuvent être recyclés dans l'unité de production de gaz de synthèse 7. Le gaz de synthèse 28 purifié peut également être introduit dans des unités de séparation 261 de H2 et CO de manière à produire d'une part de l'hydrogène 281 purifié pour l'export ou la compression et d'autre part du CO 282 purifié pour l'export ou la compression. Le mélange de gaz de purge issu des unités de séparation 261 est utilisé comme combustible dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse.
La figure 2 est une vue schématique d'un procédé de production de gaz de synthèse comme celui de la figure 1, excepté que ce procédé comprend une unité de production de vapeur 13 alimentée en combustibles hydrocarbonés 42 et par une partie 22 du gaz oxygéné 2 issu de la turbine à gaz 3. L'unité de production de vapeur 13 est généralement une chaudière brûlant des combustibles lourds ou solides 42 qui ne peuvent être utilisés dans la turbine à gaz 3 ou dans le dispositif de production de gaz de synthèse 7. L'unité de production de vapeur 13 produit de la vapeur dont une partie 47 est mélangée à la vapeur 12 produite par l'unité 17 de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse, et l'autre partie 43 est mélangée à la vapeur 41 détendue par la turbine 50. Les gaz d'échappement 44 de l'unité de production de vapeur 13 sont mélangés aux gaz d'échappement 37 de l'unité 7.
Pour les deux configurations des figures 1 et 2, la production de gaz de synthèse peut continuer même si la turbine à gaz est à l'arrêt, grâce à l'utilisation d'air atmosphérique. Il est également possible de découpler la turbine à gaz de l'unité de production de gaz de synthèse grâce à la cheminée d'évacuation 40. Par exemple, même si l'unité de production degaz de synthèse s'arrête de fonctionner, la turbine à gaz peut encore être utilisée pour produire électricité et vapeur.
La figure 3 est une vue schématique d'un procédé de production de gaz de synthèse comme celui de la figure 1, excepté que ce procédé comprend un seul conduit de gaz oxygéné. Ce schéma est utilisé quand la chaleur requise pour la combustion nécessaire pour la réaction de formation du gaz de synthèse est suffisamment fournie par tout le gaz oxygéné de la turbine à gaz.
La figure 4 est une vue schématique correspondant au procédé de la figure 1 détaillant le dispositif de distribution du gaz oxygéné principal et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7. Les trois conduits 9, 91 et 92 permettent de distribuer le gaz oxygéné 2 de la turbine 3 ou l'air atmosphérique 8 au moyen des ouvertures suivantes: - l'ouverture 10 permet d'introduire le gaz oxygéné 2 de la turbine à gaz 3 dans le conduit -l'ouverture 161 et l'ouverture 211 permettent respectivement d'introduire une partie 21 du gaz oxygéné 2 dans le conduit 91 et une partie 22 du gaz oxygéné 2 dans le conduit 30 92, - les volets 16 et 4 permettent de réguler le débit du gaz 21 et du gaz 22, - l'ouverture 11 et l'ouverture 112 permettent respectivement d'introduire l'air atmosphérique 8 dans le conduit 91 et dans le conduit 92, - les trappes 111 et 113 permettent de choisir l'introduction soit du gaz oxygéné 21 ou 22, 35 soit de l'air atmosphérique 8 dans leur conduit respectif 91 ou 92, - les brûleurs 120 et 20 permettent de chauffer le gaz circulant dans les conduits 91 et 92, - l'ouverture 162 permet d'évacuer le gaz présent dans le conduit 91 vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7, - l'ouverture 212 permet d'évacuer le gaz présent dans le conduit 92 vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5, - l'ouverture 151 permet d'évacuer le gaz oxygéné présent dans le conduit 9 vers l'atmosphère au moyen de la cheminée 40, des volets 15 permettant de réguler ce flux.
Si la turbine à gaz 3 fonctionne et produit un gaz oxygéné, les trappes 111 et 113 sont mises en place de manière à fermer les ouvertures 11 et 112: ainsi, on alimente la chambre de combustion de l'unité 7 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 en gaz oxygéné principal. Au moyen des volets 4 et 16, il est permis de distribuer à volonté plus ou moins de gaz oxygéné principal soit vers le conduit 91 et la chambre de combustion de l'unité 7, soit vers le conduit 92 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5. Si la turbine à gaz 3 ne fonctionne pas, les trappes 111 et 113 sont mises en place de manière à ouvrir les ouvertures 11 et 112 et alimenter ainsi la chambre de combustion 7 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion en air atmosphérique (gaz oxygéné secondaire). Dans ce cas, les brûleurs 20 et 120 permettent de préchauffer l'air atmosphérique. Si la turbine à gaz 3 est défaillante et ne produit pas un gaz oxygéné, les volets 4 et 16 sont fermés, les volets 15 sont réglés de manière à évacuer le gaz de la turbine vers l'atmosphère à travers la cheminée 40.
Simultanément, les trappes 111 et 113 sont mises en place de manière à ouvrir les ouvertures 11 et 112 et alimenter ainsi la chambre de combustion 7 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 en air atmosphérique (gaz oxygéné secondaire).
La figure 5 est une vue schématique correspondant au procédé de la figure 2 détaillant le dispositif de distribution du gaz oxygéné principal et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7. Ce schéma diffère de celui de la figure 4 en ce qu'il comprend une unité de production de vapeur 13 alimentée en combustibles 42 et en comburant par une partie 22 du gaz oxygéné 2 issu de la turbine à gaz 3. Dans cette mise en oeuvre, le conduit 92 permet d'alimenter en gaz oxygéné cette unité de production de vapeur 13 plutôt que de procurer du gaz oxygéné à la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5.
La figure 6 est une vue schématique correspondant au procédé de la figure 3 détaillant le dispositif de distribution du gaz oxygéné principal et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7. Ce schéma diffère de celui des figures 4 et 5 en ce qu'il ne comprend pas de conduit 92 permettant d'évacuer le gaz oxygéné vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 ou vers une unité de production de vapeur 13.
La figure 7 est une variante de la mise en oeuvre de la figure 6 dans laquelle l'ouverture 11 permettant d'introduire du gaz oxygéné secondaire dans le conduit 91 est relié à un conduit 94 permettant l'introduction d'oxygène pur 174 issu d'une ASU 172 dans le conduit 91. L'ASU 172 fournit également de l'oxygène pur 173 à un réformeur secondaire 171 et de l'oxygène 175 pour l'export.
La figure 8 est une variante de la mise en oeuvre de la figure 4 dans laquelle une partie du gaz d'échappement 30 alimente le brûleur 20 du conduit 92 au moyen d'un conduit 300. Des volets 183 permettent de moduler le débit de ce gaz d'échappement 300. La recirculation du gaz d'échappement permet de diminuer la température de la flamme et de limiter la production d'oxydes d'azote NON. Le taux de recirculation du gaz d'échappement peut varier entre 15 et 20 %. Une réduction d'environ 40 à 55 % des émissions de NON a été observée.
Par la mise en oeuvre de l'invention, on a constaté que l'utilisation temporaire ou en continu du gaz oxygéné de la turbine à gaz dans le dispositif de production de gaz de synthèse permet l'utilisation d'une seule section de récupération de chaleur dans ledit dispositif de production de gaz de synthèse, comme dans les figures 1, 3, 4, 6, 7 et 8, alors qu'il faut habituellement en utiliser deux. Dans certains cas, la quantité de combustible utilisée par le dispositif de production de gaz de synthèse est réduite par rapport au cas où l'unité de production de gaz de synthèse et l'unité de cogénération sont indépendantes. On a également observé que la quantité de vapeur produite peut être augmentée lors de l'utilisation du dispositif selon l'invention comprenant trois conduits en mettant en route la post-combustion dans les brûleurs présents dans le troisième conduit. L'invention permet en effet de régler le débit, la température et la pression de production de vapeur pour l'export à travers la turbine à vapeur.
De plus, le combustible et la matière première hydrocarbonée et combustible utilisés pour la coproduction d'électricité, de vapeur et de gaz de synthèse sont convertis avec une efficacité de 80 % à 90 % ; ce taux de conversion ne peut pas être atteint par une unité de génération d'énergie indépendante. Le gaz oxygéné chaud issu de la turbine à gaz aide à réduire la consommation du carburant requis par la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse. Les gaz de combustion sont donc plus disponibles pour produire la vapeur supplémentaire qui peut passer à travers une turbine à vapeur afin de produire plus d'électricité. Cette invention permet de produire aussi de l'air préchauffé qui peut être utilisé dans la régénération des catalyseurs dans certains procédés industriels. Bref, une forte augmentation d'efficacité thermique et électrique est réalisée par une croissance de production de vapeur et d'électricité divisée par une baisse de consommation de gaz comme carburant.
Selon l'invention, le fait que le gaz oxygéné issu de la turbine à gaz soit chaud permet de diminuer la consommation de combustible dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. La zone de récupération de chaleur du gaz de combustion peut également remplacer une unité de production de vapeur d'une unité de cogénération. Une fois que la chaleur du gaz oxygéné et du gaz de combustion est récupérée, le gaz d'échappement refroidi est aspiré par un ventilateur et évacué par une cheminée. La vapeur obtenue dans l'unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse 17, la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 et l'unité de production de vapeur 13 peuvent être introduites soit dans une turbine à vapeur à contre-pression qui produit de la vapeur et de l'électricité, soit dans une turbine à condensation de vapeur produisant de l'eau chaude et de l'électricité.
En outre, l'alternateur de la turbine à gaz produit de I électricité qui peut être utilisée par les équipements auxiliaires, par exemple des ventilateurs, compresseurs et pompes qui se trouvent dans l'usine intégrée.
Dans la mise en oeuvre illustrée par la figure 7 et prévoyant, en cas d'arrêt de la turbine, l'utilisation d'oxygène provenant d'une ASU à la place de l'air atmosphérique, les avantages suivants sont obtenus: efficacité améliorée de l'unité de récupération de chaleur (du fait de l'absence d'azote), diminution des émissions NON, diminution de la quantité de gaz utilisée comme carburant L'invention apporte de la flexibilité au site industriel et une gamme de produits plus grande par la production de gaz de synthèse, de CO, d'hydrogène, d'oxogaz (mélange de H2 et CO à ratio précis), de vapeur, d'air chaud et d'électricité.
Le dispositif de production de gaz de synthèse peut être équipé de systèmes de traitement des gaz d'échappement tel qu'une unité de réduction sélectif catalytique de NOx ("Selective Catalytic Removal of NON" en anglais ou SCR) pour contrôler la teneur en NON provenant du gaz de combustion ou un dispositif de nettoyage de gaz d'échappement pour enlever le dioxyde de carbone, des particules et les oxydes de soufre.
Claims (18)
1. Procédé de production de gaz de synthèse (1) sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz dans lequel un gaz oxygéné (2) produit par la turbine à gaz (3) est valorisé dans une réaction de combustion mise en oeuvre sur le site industriel ou dans une unité de récupération de chaleur (5, 13, 17) du site industriel.
2. Procédé de production de gaz de synthèse (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le comburant nécessaire à la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse est constitué au moins en partie du gaz oxygéné (2) produit par la turbine à gaz (3).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz oxygéné (2) est tout ou partie du gaz d'échappement de la turbine à gaz.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie (22) du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz (3) est utilisé pour la combustion mise en oeuvre dans une zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou dans une unité de production de vapeur (13).
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la chaleur produite lors de la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse est utilisée pour produire de la vapeur (6).
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la vapeur (6, 47, 61) produite par la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou l'unité de production de vapeur (13) et ou l'unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse (17) est utilisée pour créer de l'électricité (39).
7. Procédé de contrôle de l'introduction, dans la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse (7), du gaz oxygéné nécessaire à la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse (1) sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz (3), caractérisé en ce que: - lorsque la turbine à gaz (3) fonctionne, au moins une partie du gaz oxygéné (2) produit par la turbine à gaz (3) est introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse (7), - lorsque la turbine à gaz (3) ne fonctionne pas, de l'air atmosphérique (8) ou de l'oxygène (174) produit par une unité de séparation d'air (172) est introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse (7).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que: -lorsque la turbine à gaz (3) fonctionne, au moins une partie du gaz oxygéné (2) produit par la turbine à gaz (3) est introduit dans une zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou dans une unité de production de vapeur (13), - lorsque la turbine à gaz (3) ne fonctionne pas, de l'air atmosphérique (8) est introduit dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou dans une unité de production de vapeur (13).
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que lorsque la turbine à gaz (3) ne fonctionne pas, l'oxygène (174) produit par l'unité de séparation d'air (172) est introduit dans la chambre de combustion et dans le réformeur secondaire (171) du dispositif de production de gaz de synthèse (7).
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'air atmosphérique (8) est chauffé avant d'être introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse (7), dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou dans une unité de production de vapeur (13).
11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'air atmosphérique (8) introduit dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou dans une unité de production de vapeur (13) est chauffé au moyen d'un brûleur (20), ledit brûleur étant alimenté par au moins une partie du gaz d'échappement (30) produit par le dispositif de production de gaz de synthèse (7).
12. Dispositif de distribution d'un gaz oxygéné principal (2) et d'un gaz oxygéné secondaire (8) dans au moins la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse (7) constitué d'au moins deux conduits (9, 91), - le premier conduit (9) comprenant: une ouverture (10) coopérant avec une source du gaz oxygéné principal et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal (2) dans ledit premier conduit (9) , 35. une ouverture (161) coopérant avec le deuxième conduit (91) et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit (9) vers le deuxième conduit (91), une ouverture (151) permettant l'évacuation du gaz présent dans ledit conduit (9) vers l'atmosphère, - le deuxième conduit (91) comprenant: une ouverture (161) coopérant avec le premier conduit (9) et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal dans ledit deuxième conduit (91), une ouverture (11) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans ledit deuxième conduit (91), un moyen de contrôle (111) de l'ouverture (11) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans le second conduit (91), permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture (11), une ouverture (162) permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le deuxième conduit (91) vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse (7)
13. Dispositif selon la revendication 12 permettant la distribution des gaz oxygénés dans la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse (7) et dans une zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou vers une unité de production de vapeur (13), caractérisé en ce qu'il comprend trois conduits (9, 91, 92) et en ce que: - le premier conduit (9) comprend une ouverture (211) coopérant avec le troisième conduit (92) et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit (9) vers le troisième conduit (92), - le troisième conduit (92) comprend: une ouverture (211) coopérant avec le premier conduit (9) et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal dans ledit troisième conduit (92), une ouverture (112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans ledit deuxième conduit (92), un moyen de contrôle (113) de l'ouverture (112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans le troisième conduit (92), permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture (112), une ouverture (212) permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le troisième conduit (92) vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou vers l'unité de production de vapeur (13).
14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend des brûleurs (120, 20) placés dans le deuxième et le troisième conduits en aval des ouvertures permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans lesdits conduits par rapport au sens de circulation du gaz oxygéné secondaire dans lesdits conduits.
15. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les moyens de contrôle (111, 113) des ouvertures (11, 112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) sont des trappes ou des soufflants.
16. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'au moins le deuxième et/ou le troisième conduit (91, 92) comprend un moyen de régulation (16, 4) du débit de gaz oxygéné principal (21, 22).
17. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que l'ouverture (151) permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le conduit (9) vers l'atmosphère coopère avec un conduit (93) comprenant un moyen de régulation (15) du débit de gaz oxygéné principal.
18. Utilisation du dispositif selon l'une de revendications 12 à 17 pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de l'introduction, dans la chambre de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse (7) , du gaz oxygéné nécessaire à la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse (1) sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz (3), selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que: - le gaz oxygéné principal distribué par le dispositif de distribution de gaz oxygéné est le gaz oxygéné produit la turbine à gaz (3).
- le gaz oxygéné secondaire distribué par le dispositif de distribution de gaz oxygéné est de l'air atmosphérique (8) ou de l'oxygène (174), et lorsque la turbine à gaz fonctionne, le moyen de contrôle (111, 113) de l'ouverture (11, 112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans le conduit correspondant (91, 92) assure la fermeture de cette ouverture (11, 112), - lorsque la turbine à gaz (3) ne fonctionne pas, le moyen de contrôle (111, 113) de l'ouverture (11, 112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans le conduit correspondant (91, 92) assure l'ouverture de cette ouverture (11, 112).
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