FR2937967A1 - PROCESS FOR THE CONTINUOUS PRODUCTION OF HIGH TEMPERATURE OXYGEN - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système de production continue d'oxygène dilué à haute température. Selon l'invention, il est caractérisé par la circulation de particules solides du type oxydes mixtes à structures de pérovskites entre deux réacteurs à lit fluidisé rapide dont le premier est exothermique et le second est endothermiqueThe invention relates to a system for continuous production of oxygen diluted at high temperature. According to the invention, it is characterized by the circulation of solid particles of the mixed oxide type with perovskite structures between two fast fluidized bed reactors, the first of which is exothermic and the second is endothermic.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION CONTINUE D'OXYGENE HAUTE TEMPERATURE PROCESS FOR THE CONTINUOUS PRODUCTION OF HIGH TEMPERATURE OXYGEN

1. Etat de l'Art La production d'oxygène est couramment obtenue par distillation de l'air atmosphérique. Le froid nécessaire à la liquéfaction industrielle de l'air est obtenu par détente en utilisant le phénomène de Joule-Thomson. L'air est dépoussiéré, débarrassé de son gaz carbonique et de son humidité, comprimé vers 200 bar, refroidi dans un échangeur, puis détendu jusqu'à 25 bar. Une série de compressions et de détentes aboutit à la liquéfaction. Cette distillation fractionnée sépare l'oxygène, l'azote et les gaz nobles. Un exemple de cette technologie est décrit dans le document WO 2007/068858. Selon une première marche dans un appareil de séparation d'air, on comprime dans un compresseur principal tout l'air destiné à la distillation, on envoie un premier débit d'air comprimé au moins dans le compresseur principal, épuré et refroidi dans une ligne d'échange à la colonne moyenne pression d'une double colonne, on sépare le débit d'air en des flux enrichis en azote et en oxygène dans la colonne moyenne pression, on soutire un débit d'oxygène liquide de la colonne basse pression, on le pressurise jusqu'à une pression élevée et on le vaporise dans la ligne d'échange pour former un premier débit gazeux riche en oxygène et à pression élevée, on liquéfie au moins une partie de l'air comprimé dans le compresseur principal et on envoie la partie liquéfiée à la double colonne et on produit également un deuxième débit gazeux riche en oxygène mais à une pression moins élevée que le premier débit gazeux riche en oxygène mais à une pression moins élevée que le premier débit gazeux riche en oxygène et selon une deuxième marche, on augmente la pression de liquéfaction de l'air dans en réglant les aubages du compresseur principal qui fixe cette pression, on réduit la production du deuxième débit gazeux riche en oxygène et on augmente le soutirage du premier débit gazeux riche en oxygène. 1. State of the art Oxygen production is commonly obtained by distillation of atmospheric air. The cold necessary for the industrial liquefaction of the air is obtained by relaxation using the phenomenon of Joule-Thomson. The air is dusted, freed from its carbon dioxide and moisture, compressed to 200 bar, cooled in a heat exchanger, and then relaxed to 25 bar. A series of compressions and relaxations leads to liquefaction. This fractional distillation separates oxygen, nitrogen and noble gases. An example of this technology is described in WO 2007/068858. According to a first step in an air separation apparatus, all the air intended for distillation is compressed in a main compressor, at least a first compressed air flow is sent into the main compressor, purified and cooled in a line. of exchange at the medium-pressure column of a double column, the air flow is separated into flows enriched in nitrogen and oxygen in the medium-pressure column, a flow of liquid oxygen is withdrawn from the low-pressure column, it is pressurized to a high pressure and vaporized in the exchange line to form a first gaseous flow rich in oxygen and at high pressure, at least a portion of the compressed air is liquefied in the main compressor and sends the liquefied part to the double column and also produces a second gaseous flow rich in oxygen but at a lower pressure than the first gaseous flow rich in oxygen but at a lower pressure. When the first gas flow rich in oxygen and in a second step, the liquefaction pressure of the air is increased in setting the blades of the main compressor which sets this pressure, the production of the second gas flow rich in oxygen and the withdrawal of the first gaseous flow rich in oxygen is increased.

Les nouvelles réglementations en matière d'émissions quotas de dioxyde de carbone (CO2) ont fait se développer le domaine de l'oxy-combustion de combustibles fossiles, technologie applicable dans les chaudières industrielles et les grande centrales de production d'électricité. Les fumées produites sont alors concentrées en CO2 sans dilution par de l'azote, ce qui réduit la capture du CO2 à une condensation et à une purification vis à vis d'éléments traces et à un conditionnement avant transport puis stockage souterrain. Mais l'inconvénient majeure de la production d'oxygène par voie distillation, pour une utilisation à grande échelle est la consommation importante d'auxiliaires électriques pour entraîner les divers compresseurs. C'est ainsi que des consommations typiques de 250 KWh par tonne d'oxygène sont nécessaires, bien que dépendantes du niveau de pureté recherché dans l'oxygène produit. Un autre inconvénient majeur est la très forte consommation d'eau de refroidissement, nécessaire pour évacuer les pertes de ces compresseurs. Ceci constitue un véritable point de blocage dans la localisation de futures centrales et dans la conversion de celles-ci à l'oxycombustion. Ces inconvénients se traduisent par une perte de rendement des centrales d'environ 10 points, ce qui annule les développements de rendements des centrales à combustibles solides d'origine fossile effectués depuis 40 ans, et entraîne une augmentation très importante des coûts de production d'électricité. New regulations on carbon dioxide (CO2) emissions have led to the development of the field of fossil fuel oxy-combustion, a technology that can be applied in industrial boilers and large power plants. The fumes produced are then concentrated in CO2 without dilution by nitrogen, which reduces the capture of CO2 to condensation and purification against trace elements and conditioning before transport and underground storage. But the major disadvantage of the production of oxygen by distillation for use on a large scale is the significant consumption of electrical auxiliaries to drive the various compressors. Thus, typical consumptions of 250 KWh per ton of oxygen are necessary, although dependent on the level of purity sought in the oxygen produced. Another major disadvantage is the very high consumption of cooling water, necessary to evacuate the losses of these compressors. This is a real blocking point in locating future plants and converting them to oxy-fuel combustion. These drawbacks result in a loss of efficiency of the plants of about 10 points, which cancels out the developments of the fossil fuel solid power plants made for 40 years, and leads to a very significant increase in the production costs of the plants. electricity.

La faisabilité de l'adaptation de l'oxy-combustion au parc mondial de chaudières est directement liée au verrou que constitue la production massive d'oxygène à coût minimum. Il existe une alternative industrielle à la distillation qui repose sur l'utilisation de membranes polymères mais qui est réservée aux productions de petite capacité. Il existe aussi des systèmes dits PSA et TSA ( pressure et temperature swing adsorption ) mais ils conviennent également à des petites installations. Un autre problème est la capacité de ces unités de plus de 15 000 tonnes par jour d'oxygène pour des centrales de 1000 MWe alors que la taille commerciale des unités à distillation est d'environ 4000 tonnes d'oxygène par jour. The feasibility of adapting oxy-combustion to the global fleet of boilers is directly related to the lock that is massive production of oxygen at minimum cost. There is an industrial alternative to distillation that relies on the use of polymer membranes but is reserved for small capacity production. There are also systems called PSA and TSA (pressure and temperature swing adsorption) but they are also suitable for small installations. Another problem is the capacity of these units of more than 15,000 tons per day of oxygen for 1000 MWe plants while the commercial size of the distillation units is about 4000 tons of oxygen per day.

Il existe enfin une nouvelle technologie de production d'oxygène utilisant des céramiques appelées perovskites ayant une structure et des propriétés particulières connues depuis 1860. La pérovskite, est une structure cristalline commune à de nombreux oxydes. Ce nom a d'abord désigné le titanate de calcium de formule CaTiO3, avant d'être étendu à l'ensemble des oxydes de formule générale ABO3 présentant la même structure. Les pérovskites présentent un grand intérêt en raison de la très grande variété de propriétés selon le choix des éléments A et B. Un exemple de ces propriétés est décrit dans l'article suivant : Mixed conduction and oxygen permeation in the substituted oxides for CaTiO3, IWAHARA H. (1) ; ESAKA T. ; MANGAHARA T. ; (1) Tottori univ., fac. eng., dep. environmental chemistry technology, Tottori 680, JAPON Journal of applied electrochemistry 1988, vol. 18, no2, pp. 173-177. Sur ces bases a été développé le procédé appelé ceramic autothermal recovery (BOC Company) qui utilise ces propriétés de stockage d'oxygène des pérovskites à haute température pour adsorber l'oxygène de I' air dans un lit fixe de particules puis le libérer par balayage de gaz par exemple des fumées recyclées ou de la vapeur d'eau. Le procédé fonctionne de façon simili continue en combinant le fonctionnement de deux lits fixes en mode cyclique. L'air et la purge sont réalisées à contre courant pour atteindre une pureté élevée en oxygène et récupérer la chaleur des deux courants gazeux quittant le lit. En effet l'adsorption d'oxygène par les pérovskites est exothermique alors que le relargage d'oxygène est endothermique, sachant que le procédé doit globalement fonctionner de façon autothermique avec néammoins un apport thermique externe. Pour lisser la production d'oxygène vis à vis de l'utilisation, sachant que le procédé est simili continu, un réservoir de stockage d'oxygène basse pression dilué est nécessaire. Il s'agit là d'un véritable inconvénient d'investissement et d'exploitation. Mais ce dernier procédé repose sur l'utilisation de lits fixes opérés en mode cyclique, ce qui le rend inadapté à satisfaire les besoins en oxygène de 15 000 tonnes / jour des grandes centrales à combustibles solides fossiles. A moins de multiplier les lits fixes par dizaines, ce qui n'est pas économique. Finally, there is a new oxygen production technology using ceramics called perovskites having a particular structure and properties known since 1860. Perovskite is a crystalline structure common to many oxides. This name first designated calcium titanate CaTiO3 formula, before being extended to all oxides of general formula ABO3 having the same structure. Perovskites are of great interest because of the great variety of properties according to the choice of elements A and B. An example of these properties is described in the following article: Mixed conduction and oxygen permeation in the oxides for CaTiO3, IWAHARA H. (1); ESAKA T.; MANGAHARA T.; (1) Tottori University, College. eng., dep. Environmental Chemistry Technology, Tottori 680, JAPAN Journal of Applied Electrochemistry 1988, vol. 18, no. 2, pp. 173-177. On this basis, the so-called ceramic autothermal recovery (BOC Company) has been developed which uses these oxygen storage properties of high temperature perovskites to adsorb oxygen from the air in a fixed bed of particles and then to release it by sweeping. of gas for example recycled fumes or steam. The process operates in a similarly continuous way by combining the operation of two fixed beds in cyclic mode. The air and the purge are carried out against the current to reach a high purity of oxygen and recover the heat of the two gaseous currents leaving the bed. Indeed the adsorption of oxygen by the perovskites is exothermic while the release of oxygen is endothermic, knowing that the process must globally operate autothermically with negroins an external thermal contribution. To smooth the production of oxygen with respect to use, knowing that the process is continuous, a dilute low pressure oxygen storage tank is necessary. This is a real disadvantage of investment and exploitation. But the latter method relies on the use of fixed beds operated in cyclic mode, which makes it unsuitable to meet the oxygen needs of 15,000 tons / day of large fossil fuel solid power plants. Unless you multiply the fixed beds by tens, which is not economical.

2. Problème posé Il s'agit de proposer un système entièrement continu de production d'oxygène dilué à haute température, pouvant être extrapolé à de très grandes capacités de production (15 000 à 20 000 tonnes/jour), minimisant la consommation des auxiliaires, minimisant également la consommation d'eau de refroidissement et capables de suivre les variations de charge des chaudières que le système alimente en comburant. Le procédé doit fonctionner globalement en autothermicité. La capacité à effectuer cette production par une seule unité et non pas des trains multiples amène à des réductions très importantes de coût d'investissement. 3. Objet de l'invention L'invention propose d'utiliser une nouvelle architecture de deux réacteurs gaz solides à lit fluidisé rapide interconnectés à très fort flux de solides circulants , seuls capables grâce à cette circulation élevée et continue de solides type oxydes mixtes à structures de perovskites, de transférer l'oxygène nécessaire de façon sélective et d'effectuer sur les solides en circulation les échanges de chaleur crées par l'exothermicité et l'endothermicité des réactions avec l'oxygène, et non plus d'effectuer ces échanges de chaleurs sur des courants gazeux à contre courant. Ce type de réacteur est parfaitement adapté à la haute température (750 à 1150 °C) afin d'accélérer les cinétiques d'échange et il permet d'atteindre la totale autothermicité grâce à des formulations spécifiques d'oxydes et grâce au fait de circuler des dizaines de milliers de tonnes par heures de solides, débit exigé par les applications de grande taille. 2. Problem posed It is a question of proposing a completely continuous system of production of diluted oxygen at high temperature, which can be extrapolated to very large production capacities (15 000 to 20 000 tons / day), minimizing the consumption of auxiliaries , also minimizing the consumption of cooling water and able to follow the load variations of the boilers that the system supplies with oxidizer. The process must operate globally in autothermicity. The ability to perform this production by a single unit and not multiple trains leads to very significant reductions in capital cost. 3. OBJECT OF THE INVENTION The invention proposes to use a new architecture of two interconnected high-flux fast fluidized bed solid-acid reactors with very high flux of circulating solids, which alone, thanks to this high and continuous circulation, can solids of the type mixed oxides. perovskites structures, to transfer the necessary oxygen selectively and to carry out on the circulating solids the heat exchanges created by the exothermicity and the endothermicity of the reactions with the oxygen, and no longer to carry out these exchanges. heat on gas currents against the current. This type of reactor is perfectly adapted to the high temperature (750 to 1150 ° C) in order to accelerate the kinetics of exchange and it makes it possible to reach the total autothermicity thanks to specific formulations of oxides and thanks to the fact of circulating tens of thousands of tons per hour of solids, the throughput required by large applications.

4. Description de l'invention 30 Voir Figures 1, 2 et 3 L'invention comporte un premier réacteur (1) à lit fluidisé rapide dont l'inventaire est constitué de particules solides du type oxydes mixtes à structures de pérovskites, fonctionnant à haute température et fluidisé par de l'air (2) . L'exothermicité de la réaction d'adsorption/ absorption de l'oxygène dans ce premier réacteur est contrôlée par un échangeur (3) sur les solides circulants (4) dont le débit réglable permet d'ajuster précisément la température optimale d'adsorption dans la boucle. Sur cette boucle (4) est soutiré un débit de particules solides (5) du type oxydes mixtes à structures de pérovskites, particules à haute température ayant absorbé l'oxygène de l'air vers un deuxième réacteur (8) à lit fluidisé rapide fluidisé par du CO2 (7) mélangé à de la vapeur d'eau, dans lequel va s'effectuer la libération d'oxygène. Ce réacteur (6) est endothermique et utilise la chaleur des solides en provenance du premier réacteur pour effectuer cette libération. Le débit de solides prélevés du premier réacteur (1) doit donc satisfaire à ce besoin de chaleur. Puis les solides débarrassés de leur oxygène (8) sont transférés vers le premier réacteur (1) pour un nouveau cycle. Une des difficultés est de contrôler le degré d'oxygénation et de désoxygénation dans les solides transférés. Ceci est résolu par le prélèvement des solides sur chaque boucle (9 et 10 ) au niveau non pas du réacteurs proprement dits (1 et 6) mais au niveau de la boucle externe en fait en bas (11 et 12 ) du conduit de retour de façon à ce que les solides soient restés suffisamment longtemps dans chaque zone réactionnelle en termes de température , temps de séjour. Les pérovskites utilisées doivent posséder suffisamment de résistance mécanique pour la tenue à l'abrasion et à l'érosion crée par la mise en fluidisation et les chocs, ainsi que posséder une granulométrie adaptée au lits fluidisés rapides et à leur interconnection. Compte tenu de la large plage de composition possible des pérovskites, il apparaît que les oxydes mixtes de structure Calcium Fer Titane, Calcium Cobalt Titane, Calcium Nickel Titane sont adaptées à ce transfert d'oxygène à haute température. L'adjonction de cuivre et/ou de manganèse en mélange ou substitution au fer et au nickel est également proposée compte tenu de leurs propriétés d'oxydation. Le système comporte un système d'introduction de solides frais (15) et d'extraction de solides usagés (13 et 14 ). 4. Description of the Invention See Figures 1, 2 and 3 The invention comprises a first fast fluidized bed reactor (1) whose inventory consists of solid particles of the mixed oxide type with perovskite structures, operating at high temperature and fluidized by air (2). The exothermicity of the adsorption / oxygen absorption reaction in this first reactor is controlled by an exchanger (3) on the circulating solids (4) whose adjustable flow rate makes it possible to precisely adjust the optimal adsorption temperature in the loop. On this loop (4) is withdrawn a flow of solid particles (5) of the mixed oxide type structures of perovskites, high temperature particles having absorbed oxygen from the air to a second reactor (8) fluidized fast fluidized bed by CO2 (7) mixed with water vapor, in which will release the oxygen. This reactor (6) is endothermic and uses the heat of the solids from the first reactor to effect this release. The solids flow taken from the first reactor (1) must therefore meet this need for heat. Then the solids freed of their oxygen (8) are transferred to the first reactor (1) for a new cycle. One of the difficulties is to control the degree of oxygenation and deoxygenation in the transferred solids. This is solved by taking the solids on each loop (9 and 10) at the level not of the actual reactors (1 and 6) but at the level of the outer loop in fact at the bottom (11 and 12) of the return duct. so that the solids remained long enough in each reaction zone in terms of temperature, residence time. The perovskites used must have sufficient mechanical strength for resistance to abrasion and erosion created by fluidization and shocks, as well as having a particle size adapted to rapid fluidized beds and their interconnection. Given the wide range of possible composition of perovskites, it appears that the mixed oxides of structure Calcium Iron Titanium, Calcium Cobalt Titanium, Calcium Nickel Titanium are adapted to this transfer of oxygen at high temperature. The addition of copper and / or manganese mixed or substituted with iron and nickel is also proposed in view of their oxidation properties. The system includes a system for introducing fresh solids (15) and used solids (13 and 14).

Les courants gazeux (16 et 17 ) issus de chaque réacteur (1 et 6 ) sont refroidis partiellement dans des échangeurs (18 et 19 ) par exemple de type eau vapeur. Le courant gazeux contenant l'air appauvri en oxygène (17) est rejeté environ à l'atmosphère après refroidissement à 90°C et filtration (20 ) tandis que le courant (16) d'oxygène et de gaz de balayage CO2 et H2O est transféré à haute température par une gaine spéciale (18) à double enveloppe vers la chaudière devant fonctionner en oxy-combustion. L'espace annulaire externe de la double enveloppe de cette gaine sous légère pression contient le CO2 et H2O provenant de la chaudière fonctionnant en oxy-combustion (19) . Une partie de ce courant O2/CO2/H2O peut être recyclée (7) vers le premier réacteur (1) par mélange avec l'air (2) de fluidisation pour piloter l'autothermicité de l'ensemble et les niveaux de températures de fonctionnement de chaque réacteur (1 et 6 ). Ceci peut entraîner une légère perte de CO2 à l'atmosphère par la sortie du premier réacteur mais procure un ajustement de réglage ultime de température d'ensemble. 5. Eléments essentiels Le système de production continue d'oxygène dilué à haute température selon l'invention est spécifique par : • la circulation de particules solides du type oxydes mixtes à structures de pérovskites entre deux réacteurs à lit fluidisé rapide dont le premier est exothermique et le second est endothermique The gas streams (16 and 17) from each reactor (1 and 6) are partially cooled in exchangers (18 and 19), for example of the steam type. The gaseous stream containing the oxygen-depleted air (17) is released to the atmosphere after cooling to 90 ° C and filtering (20) while the stream (16) of oxygen and CO 2 and H 2 O 2 scanning gas is transferred at high temperature by a special jacketed sheath (18) to the boiler to be operated in oxy-combustion. The outer annular space of the double jacket of this sheath under light pressure contains CO2 and H2O from the boiler operating in oxy-combustion (19). Part of this stream O2 / CO2 / H2O can be recycled (7) to the first reactor (1) by mixing with the air (2) fluidization to drive the autothermicity of the assembly and the operating temperature levels of each reactor (1 and 6). This can result in a slight loss of CO2 to the atmosphere by the outlet of the first reactor but provides an ultimate set temperature adjustment. 5. Essential elements The system for the continuous production of high temperature diluted oxygen according to the invention is specific for: the circulation of solid particles of the mixed oxide type with perovskite structures between two fast fluidized bed reactors, the first of which is exothermic and the second is endothermic

• les deux réacteurs à lit fluidisé rapides sont interconnectés par la partie basse 30 de leur boucle externe de circulation de solides The two fast fluidized bed reactors are interconnected by the lower part of their external solids circulation loop

• le contrôle de température du deuxième réacteur endothermique est assuré par l'apport de solides provenant du réacteur exothermique • le contrôle de température du premier réacteur exothermique est assuré par le refroidissement réglable des solides prélevés sur la boucle externe ou dans un échangeur intégré au réacteur à lit fluidisé rapide. • the temperature control of the second endothermic reactor is ensured by the supply of solids from the exothermic reactor • the temperature control of the first exothermic reactor is ensured by the adjustable cooling of the solids taken from the outer loop or in an exchanger integrated in the reactor fast fluidized bed.

• la fluidisation du premier réacteur à lit fluidisé rapide est assurée par de l'air • la fluidisation du deuxième réacteur à lit fluidisé rapide est assurée par un mélange CO2 et H2O sous légère pression en provenance d'une chaudière fonctionnant en oxy-combustion 15 • le rejet à l'atmosphère de l'air appauvri en oxygène à haute température issu du premier réacteur après refroidissement et filtration • le transfert à haute température du mélange O2/CO2/H2O issu du deuxième réacteur à lit fluidisé rapide vers une chaudière fonctionnant en oxy-20 combustion • une gaine de transfert à double enveloppe concentrique contenant extérieurement le fluide froid à légère pression de CO2 H2 et intérieurement le fluide chaud O2/CO2/H2O. • des particules solides du type oxydes mixtes à structures de pérovskites d'une granulométrie principalement comprise entre 10 et 100 p 25 • particules solides du type oxydes mixtes à structures de pérovskites de composition Calcium Fer Titane, Calcium Cobalt Titane, Calcium Nickel avec adjonction de cuivre et/ ou de manganèse • un fonctionnement à haute température (750 à 1150 °C) des deux réacteurs à 5 lit fluidisé rapide. • the fluidization of the first fast fluidized bed reactor is provided by air • the fluidization of the second fast fluidized bed reactor is provided by a mixture of CO2 and H2O under slight pressure from a boiler operating in oxy-combustion 15 • the discharge to the atmosphere of the oxygen depleted air at high temperature from the first reactor after cooling and filtration • the high temperature transfer of the O2 / CO2 / H2O mixture from the second fast fluidized bed reactor to a working boiler In combustion oxy-20 • a concentric double-shelled transfer sheath externally containing the cold fluid at a slight pressure of CO2 H2 and internally the hot fluid O2 / CO2 / H2O. Solid particles of the mixed oxide type with perovskite structures with a particle size mainly comprised between 10 and 100; solid particles of the mixed oxide type with perovskite structures of Calcium Iron Titanium, Calcium Cobalt Titanium and Calcium Nickel composition with addition of copper and / or manganese • a high temperature operation (750 to 1150 ° C) of the two fast fluidized bed reactors.

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