WO2005064251A1 - Appareil de separation d'air, appareil integre de separation d'air et de production d'un metal et procede de demarrage d'un tel appareil de separation d'air - Google Patents

Appareil de separation d'air, appareil integre de separation d'air et de production d'un metal et procede de demarrage d'un tel appareil de separation d'air Download PDF

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Jean-Jacques Chollat
Alain Guillard
Alain Libarre
Xavier Pontone
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L'Air Liquide, Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et l'Exploitation des Procédés Georges Claude
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    • F25J3/04551—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general for the metal production
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    • F25J3/04593—The air gas consuming unit is also fed by an air stream
    • F25J3/046—Completely integrated air feed compression, i.e. common MAC
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    • F25J2200/06—Processes or apparatus using separation by rectification in a dual pressure main column system in a classical double column flow-sheet, i.e. with thermal coupling by a main reboiler-condenser in the bottom of low pressure respectively top of high pressure column
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    • F25J2230/42—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams the fluid being nitrogen
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    • F25J2235/50—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure or for conveying of liquid process streams the fluid being oxygen

Definitions

  • the present invention relates to an air separation device, with the aid of an air separation device, an integrated air separation and metal production device and a method of starting such an air separation device.
  • an integrated air separation and metal production apparatus and a method for starting such an air separation apparatus As described in the article "Optimized Steel Production with Oxygen for Blast Fumaces at ILVA, Taranto Works, Italy" by Capogrosso et al., Steel Times International, February-March, 2003, it is known to at least partially power a device separation of air into compressed air from the blower of a blast furnace. The oxygen produced by the device is then mixed with the rest of the air from the blower, heated and sent to the blast furnace.
  • Air separation devices suitable for supplying a blast furnace are described in US-A-5244489, US-A-6089040, US-A-6119482 and US-A-6122932.
  • the air pressure gradually increases to a pressure which allows the booster compressing the air intended for air separation to start. It is obviously important to be able to quickly start this booster in order to supply the customer with oxygen as soon as possible, so that the blast furnace can operate normally.
  • An object of the present invention is to reduce the minimum air pressure at which the booster can start to operate.
  • an air separation device comprising a column system, means for supplying the device at least partially with compressed air coming from at least one booster, means for purifying and cooling the air, means to send it to a column of the column system, means for withdrawing a gaseous product from a column of the column system characterized in that the booster is driven by a variable speed motor with at least two nominal rotational speeds.
  • the variation of the network frequency and / or of the load means that the motor having a nominal speed of x revolutions will actually turn around this speed in a range of plus or minus 5% at most.
  • an integrated air separation and metal production apparatus comprising the apparatus comprises an air separation apparatus, a metal production apparatus, a compressor which compresses air intended for the air separation apparatus and air intended for the metal production apparatus, the air separation apparatus being of the type defined above, means for sending air from the compressor to the booster and means for sending the gaseous product from the air separation apparatus to the metal production unit.
  • a method for starting an air separation and metal production apparatus comprising a column system, means for supplying a booster with compressed air and means for sending air from the booster to at least one column of the column system and means for withdrawing a gaseous product from a column of the column system to send it to the production of metal, characterized in that the booster is driven by a variable speed motor and that, during a period of starting the metal production apparatus, the motor speed is greater than the motor speed during the stable operation of the apparatus.
  • the engine runs at one of two speeds, the engine running at a first speed when starting the metal production apparatus and at a second speed during stable operation of the device, the first speed being greater than the second speed;
  • the motor is supplied by an alternating current at a higher frequency when the metal production apparatus starts up than the frequency of the current during the stable operation of the apparatus;
  • the motor is supplied by a variable frequency current;
  • the motor includes several coils, coupled differently depending on the operation of the device;
  • Adjustment of the motor speed can be obtained by various means: - the number of pole pairs can be acted on, with single primary winding machines (with coupling of Dahlander type windings) or machines with several primary windings. -one can act on the frequency of the stator supply voltage with electromechanical frequency converters or static converters. -we can act on the slip by acting on the stator supply voltage, by using a slip rheostat to the rotor or by using a recovery cascade. All the pressures mentioned are absolute pressures. The invention will be described in more detail with reference to the drawings, which are block diagrams of an air separation installation according to the invention integrated with a blast furnace. FIG.
  • FIG. 1 represents a metal processing unit, in this example an FM blast furnace, and an air distillation apparatus comprising an exchange line LE, a double column DC and a mixing column CM, the blast furnace and the air distillation apparatus being supplied with air by a blower S typically producing more than 100,000 Nm3 / h of air at a pressure of less than 6 bars, typically between 3 and 5.5 bars.
  • the blower S can supply other devices.
  • the air for the FM blast furnace is heated and sent to the blast furnace after being mixed with a flow of oxygen O coming from the air separation device.
  • the air distillation apparatus shown in FIG. 1 is intended to produce, on a first step, low purity oxygen, for example having a purity of 80 to 97% and preferably 85 to 95% under a determined pressure.
  • the double distillation column DC itself comprising a medium pressure column MP, a low pressure column BP and a main condenser-vaporizer.
  • the columns MP and BP typically operate at approximately 6 bars and approximately 1.2 bars respectively.
  • a mixing column is a column which has the same structure as a distillation column but which is used to mix in a manner close to reversibility a relatively volatile gas, introduced at its base, and a less volatile liquid, introduced at its top. .
  • the booster C2 is driven by a motor M with variable speed of rotation with at least two nominal speeds.
  • This engine can be of the Dahlander type with two or even three speeds, as described in Memotech Electrotechnique by Bourgeois and Cogniel, ed. Educalivre, page 295.
  • the motor speed is higher than the motor speed during stable operation of the apparatus.
  • the booster can be driven by a turbine, such as a steam turbine.
  • Liquid oxygen is withdrawn from the tank of the column BP, carried by a pump W at a pressure P1, slightly higher than the pressure P above to take account of the losses load (P1-P for example less than 1 x 10 5 Pa), and introduced at the top of the column CM.
  • P1 is therefore advantageously between 4-6 x 10 5 Pa and 30 x 10 5 Pa, preferably between 8 x 10 5 Pa and 16 x 10 5 Pa.
  • the pressurized air is then purified in a purification unit E, cooled, divided into two. Part of the air is boosted at the pressure of the mixing column CM in a booster c, coupled to the blowing turbine t which is supplied by part of the rest of the air.
  • the other elements of the figure are identical to those of Figure 1.
  • Figure 3 as in Figure 2, all the air intended for distillation is compressed in a booster C1 driven by a motor at speed M of variable rotation.
  • the pressurized air is then purified in a purification unit E and a part L of the purified air is pressurized at the pressure of the mixing column in a second booster C2 also coupled to a motor M 'optionally at rotational speed variable.
  • This air cools in the exchange line LE and is sent to the mixing column CM.
  • the rest J of the air coming from the purification is partially cooled and divided in two. Part of the air is sent to a turbine t and then to the low pressure column BP. The rest of the air continues to cool in the LE exchange line and is sent in gaseous form to the medium pressure column.
  • the turbine t is driven by a low pressure nitrogen compressor c. It is also conceivable that the double column is supplied from the blower while the mixing column is supplied from a dedicated compressor or the opposite.
  • the booster can be used to feed the mixing column and / or the mixing column.

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Abstract

Un appareil de séparation d'air comprend un système de colonnes (DC, CM), des moyens pour alimenter l'appareil au moins partiellement en air comprimé provenant au moins d'un surpresseur (C2), des moyens (E, LE) pour épurer et refroidir l'air, des moyens pour l'envoyer à une colonne (CM) du système de colonnes, des moyens pour soutirer un produit gazeux (O) d'une colonne du système de colonnes, le surpresseur étant entraîné par un moteur (M) à vitesse de rotation variable avec au moins deux vitesses nominales.

Description

Appareil de séparation d'air, appareil intégré de séparation d'air et de production d'un métal et procédé de démarrage d'un tel appareil de séparation d'air La présente invention est relative à un appareil de séparation d'air, à un appareil intégré de séparation d'air et de production d'un métal et à un procédé de démarrage d'un tel appareil de séparation d'air. Comme décrit dans l'article « Optimized Steel Production with Oxygen for Blast Fumaces at ILVA, Taranto Works, Italy » de Capogrosso et al., Steel Times International, février-mars, 2003, il est connu d'alimenter au moins partiellement un appareil de séparation d'air en air comprimé à partir de la soufflante d'un haut fourneau. L'oxygène produit par l'appareil est ensuite mélangé avec le reste de l'air provenant de la soufflante, chauffé et envoyé au haut fourneau. II est fréquemment nécessaire de surpresser une partie de l'air provenant de la soufflante et destinée à l'appareil de séparation d'air. L'article décrit que l'air peut provenir d'un réseau d'air comprimé alimenté par plusieurs soufflantes. Des appareils de séparation d'air adaptés à alimenter un haut fourneau sont décrits dans US-A-5244489, US-A-6089040, US-A-6119482 et US-A- 6122932. Pour démarrer le haut fourneau, il est d'abord nécessaire de mettre en marche la soufflante. La pression de l'air augmente progressivement jusqu'à une pression qui permet au surpresseur comprimant l'air destiné à la séparation d'air de démarrer. Il est évidemment important de pouvoir démarrer rapidement ce surpresseur afin de fournir le client en oxygène dès que possible, de sorte que le haut fourneau puisse fonctionner normalement. Un but de la présente invention est de réduire la pression minimale d'air à laquelle le surpresseur peut commencer à fonctionner. Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air comprenant un système de colonnes, des moyens pour alimenter l'appareil au moins partiellement en air comprimé provenant au moins d'un surpresseur, des moyens pour épurer et refroidir l'air, des moyens pour l'envoyer à une colonne du système de colonnes, des moyens pour soutirer un produit gazeux d'une colonne du système de colonnes caractérisé en ce que le surpresseur est entraîné par un moteur à vitesse de rotation variable avec au moins deux vitesses de rotation nominales. La variation de la fréquence du réseau et/ou de la charge font que le moteur ayant une vitesse nominale de x tours va tourner en réalité autour de cette vitesse dans une fourchette de plus ou moins 5% au maximum. - l'appareil comprend des moyens pour alimenter le moteur avec un courant alternatif à fréquence variable ; - l'appareil comprend un moteur multi-vitesses ; - le moteur est de type à bobinage primaire unique, en particulier de type Dahlander ou de type à plusieurs bobinages primaires ; Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil intégré de séparation d'air et de production d'un métal comprenant l'appareil comprend un appareil de séparation d'air, un appareil de production d'un métal, un compresseur qui comprime de l'air destiné à l'appareil de séparation d'air et de l'air destiné à l'appareil de production d'un métal, l'appareil de séparation d'air étant du type défini ci-dessus, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur au surpresseur et des moyens pour envoyer le produit gazeux provenant de l'appareil de séparation d'air à l'unité de production de métal. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé de démarrage d'un appareil de séparation d'air et de production de métal comprenant un système de colonnes, des moyens pour alimenter un surpresseur avec de l'air comprimé et des moyens pour envoyer de l'air du surpresseur à au moins une colonne du système de colonnes et des moyens pour soutirer un produit gazeux d'une colonne du système de colonnes pour l'envoyer à la production de métal, caractérisé en ce que le surpresseur est entraîné par un moteur à vitesse variable et que, lors d'une période du démarrage de l'appareil de production de métal, la vitesse du moteur est supérieure à la vitesse du moteur pendant le fonctionnement stable de l'appareil. Selon d'autres aspects facultatifs : - le moteur tourne à l'une de deux vitesses, le moteur tournant à une première vitesse lors du démarrage de l'appareil de production de métal et à une deuxième vitesse lors du fonctionnement stable de l'appareil, la première vitesse étant supérieure à la deuxième vitesse ; - le moteur est alimenté par un courant alternatif à fréquence plus élevée lors du démarrage de l'appareil de production de métal que la fréquence du courant pendant le fonctionnement stable de l'appareil ; - le moteur est alimenté par un courant à fréquence variable ; - le moteur comprend plusieurs bobines, couplées différemment selon la marche de l'appareil ; Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé du type ci- dessus dans lequel un appareil de séparation d'air et un appareil de production de métal sont alimentés en air à partir d'un compresseur et l'appareil de production de métal est alimenté en un produit gazeux de l'appareil de séparation d'air, dans lequel on démarre d'abord le compresseur alimentant les deux appareils et ensuite on démarre l'appareil de séparation d'air selon le procédé de démarrage vu plus haut. Le réglage de la vitesse de rotation du moteur peut être obtenu par divers moyens : -on peut agir sur le nombre de paires de pôles, avec des machines à bobinage primaire unique (avec couplage d'enroulements de type Dahlander) ou des machines à plusieurs bobinages primaires. -on peut agir sur la fréquence de la tension d'alimentation statorique avec des convertisseurs de fréquence électromécaniques ou des convertisseurs statiques. -on peut agir sur le glissement en agissant sur la tension d'alimentation statorique, en utilisant un rhéostat de glissement au rotor ou en utilisant une cascade de récupération. Toutes les pressions mentionnées sont des pressions absolues. L'invention sera décrite en plus de détail en se référant aux dessins, qui sont des schémas de principe d'une installation de séparation d'air selon l'invention intégré avec un haut fourneau. La Figure 1 représente une unité de traitement de métal, dans cet exemple un haut fourneau FM, et un appareil de distillation d'air comprenant une ligne d'échange LE, une double colonne DC et une colonne de mélange CM, le haut fourneau et l'appareil de distillation d'air étant alimentée en air par une soufflante S produisant typiquement plus que 100 000 Nm3/h d'air à une pression de moins de 6 bars, typiquement entre 3 et 5,5 bars. La soufflante S peut alimenter d'autres appareils. L'air destiné au haut fourneau FM est chauffé et envoyé au haut fourneau après avoir été mélangé avec un débit d'oxygène O provenant de l'appareil de séparation d'air. L'appareil de distillation d'air représentée à la figure 1 est destiné à produire selon une première marche de l'oxygène basse pureté, par exemple ayant une pureté de 80 à 97 % et de préférence de 85 à 95 % sous une pression déterminée P différente de 7 bars, par exemple sous 2 à 6 bars ou encore sous une pression supérieure à 7 bars d'au moins 2 bars et pouvant aller jusqu'à 14 bars, de préférence entre 9 et 14 bars. La double colonne de distillation DC comprenant elle-même une colonne moyenne pression MP, une colonne basse pression BP et un condenseur-vaporiseur principal. Les colonnes MP et BP fonctionnent typiquement sous environ 6 bars et environ 1 ,2 bars respectivement. Comme expliqué en détail dans le document US-A-4022030, une colonne de mélange est une colonne qui a la même structure qu'une colon ne de distillation mais qui est utilisée pour mélanger de façon proche de la réversibilité un gaz relativement volatil, introduit à sa base, et un liquide moins volatil, introduit à son sommet. .„•., Un tel mélange produit de l'énergie frigorifique et permet donc de réduire la consommation d'énergie liée à la distillation. Dans le cas présent, ce mélange est mis à profit, en outre, pour produire directement de l'oxygène impur sous la pression P, comme cela sera décrit ci-dessous. L'air destiné à la distillation est refroidi par un refroidisseur R et épuré par une unité d'épuration E. Ensuite il est divisé en deux débits. Le débit L est surpressé dans un surpresseur C2 jusqu'à une pression de 6 x 105 Pa et ensuite refroidie dans la ligne d'échange LE et introduite à la base de la colonne de mélange CM. L'autre débit J est envoyé à la ligne d'échange LE, refroidi partiellement et divisé en deux. Une partie est envoyé à la colonne moyenne pression MP après s'être refroidi jusqu'au bout froid de la ligne d'échange et l'autre partie est détendue à la basse pression dans une turbine t, puis insufflée en un point intermédiaire de la colonne basse pression BP. Le surpresseur C2 est entraîné par un moteur M à vitesse de rotation variable avec au moins deux vitesses nominales. Ce moteur peut être de type Dahlander avec deux voire trois vitesses, tel que décrit dans Memotech Electrotechnique de Bourgeois et Cogniel, éd. Educalivre, page 295. Lors d'une période du démarrage de l'appareil de production de métal, la vitesse du moteur est supérieure à la vitesse du moteur pendant le fonctionnement stable de l'appareil. Eventuellement en addition, le surpresseur peut être entraîné par une turbine, telle qu'une turbine à vapeur. Du « liquide riche » (air enrichi en oxygène), prélevé en cuve de la colonne MP est, après détente dans une vanne de détente, introduit dans la colonne BP, à peu près au point d'insufflation de l'air. Du « liquide pauvre » (azote impur) prélevé en un point intermédiaire de la colonne MP est, après détente dans une vanne de détente, introduit au sommet de la colonne BP. De l'azote N constituant le gaz résiduaire de l'installation, et éventuellement l'azote gazeux pur sous la moyenne pression produit en tête de la colonne MP, sont réchauffés dans la ligne d'échange LE et évacués de l'installation. De l'oxygène liquide, plus ou moins pur suivant le réglage de la double colonne DC, est soutiré en cuve de la colonne BP, porté par une pompe W à une pression P1 , légèrement supérieure à la pression P précitée pour tenir compte des pertes de charge (P1-P par.exemple inférieur à 1 x 105 Pa), et introduit au sommet de la colonne CM. P1 est donc avantageusement comprise entre 4-6 x 105 Pa et 30 x 105 Pa, de préférence entre 8 x 105 Pa et 16 x 105 Pa. De la colonne de mélange CM sont soutirés trois courants de fluide : à sa base, du liquide voisin du liquide riche et réuni à ce dernier via une conduite munie d'une vanne de détente ; en un point intermédiaire, un mélange essentiellement constitué d'oxygène et d'azote, qui est renvoyé en un point intermédiaire de la colonne basse pression BP via une conduite munie d'une vanne de détente ; et à son sommet de l'oxygène impur qui, après réchauffement dans la ligne d'échange thermique, est évacué, sensiblement à la pression P, de l'installation via une conduite en tant que gaz de production O. On a également représenté sur la figure 1 des échangeurs de chaleur auxiliaires assurant la récupération du froid disponible dans les fluides en circulation dans l'installation. Dans l'exemple de la Figure 2, tout l'air destiné à la distillation est comprimé dans un surpresseur C1 entraîné par un moteur à vitesse M de rotation variable. L'air surpressé est ensuite épuré dans une unité d'épuration E, refroidi, divisé en deux. Une partie de l'air est surpressé à la pression de la colonne de mélange CM dans un surpresseur c, couplé à la turbine d'insufflation t qui est alimentée par une partie du reste de l'air. Les autres éléments de la figure sont identiques à ceux de la Figure 1. Dans la Figure 3, de même que dans la Figure 2, tout l'air destiné à la distillation est comprimé dans un surpresseur C1 entraîné par un moteur à vitesse M de rotation variable. L'air surpressé est ensuite épuré dans une unité d'épuration E et une partie L de l'air épuré est surpressé à la pression de la colonne de mélange dans un deuxième surpresseur C2 couplé également à un moteur M' éventuellement à vitesse de rotation variable. Cet air se refroidit dans la ligne d'échange LE et est envoyé à la colonne de mélange CM. Le reste J de l'air provenant de l'épuration est partiellement refroidi et divisé en deux. Une partie de l'air est envoyé à une turbine t et ensuite à la colonne basse pression BP. Le reste de l'air poursuit son refroidissement dans la ligne d'échange LE et est envoyé sous forme gazeuse à \a colonne moyenne pression. La turbine t est entraînée par un compresseur c d'azote basse pression. II est également concevable que la double colonne soit alimentée à partir de la soufflante alors que la colonne de mélange est alimentée à partir d'un compresseur dédié ou le contraire. Le surpresseur peut être utilisé pour alimenter la colonne de mélange et/ou la colonne de mélange.

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil de séparation d'air comprenant un système de colonnes (MP.BP.CM), des moyens pour alimenter l'appareil au moins partiellement en 5 air comprimé provenant au moins d'un surpresseur (C1 ,C2), des moyens pour épurer et refroidir l'air (E,LE), des moyens pour l'envoyer à une colonne (CM.MP) du système de colonnes et des moyens pour soutirer un produit gazeux (O) d'une colonne du système de colonnes caractérisé en ce que le surpresseur étant entraîné par un moteur (M,M') à vitesse de rotation variable 10 avec au moins deux vitesses de rotation nominales et caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour alimenter le moteur avec un courant alternatif à fréquence variable.
2. Appareil selon la revendication 1 comprenant un moteur (M, M') multi- vitesses.
15 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le moteur (M, M') est de type à bobinage primaire unique, en particulier de type Dahlander ou de type à plusieurs bobinages primaires.
4. Appareil intégré de séparation d'air et de production d'un métal comprenant un appareil de séparation d'air, un appareil de production d'un
£& métal (FM), un compresseur (S) qui comprime de l'air Jestiné à l'appareil de séparation d'air et de l'air destiné à l'appareil de production d'un métal, l'appareil de séparation d'air étant selon l'une des revendications 1 à 3, des moyens pour envoyer de l'air du compresseur au surpresseur (C1 ,C2) et des moyens pour envoyer le produit gazeux (O) provenant de l'appareil de
25 séparation d'air à l'unité de production de métal.
5. Procédé de démarrage d'un appareil de séparation d'air et de production de métal comprenant un système de colonnes, des moyens pour alimenter un surpresseur (C1 ,C2) avec de l'air comprimé et des moyens pour envoyer de l'air du surpresseur à au moins une colonne du système (MP.CM)
30 de colonnes et des moyens pour soutirer un produit gazeux (O) d'une colonne du système de colonnes pour l'envoyer à la production de métal, le surpresseur étant entraîné par un moteur (M, M') à vitesse variable et caractérisé en ce que, lors d'une période du démarrage de l'appareil de production de métal, la vitesse du moteur est supérieure à la vitesse du moteur pendant le fonctionnement stable de l'appareil.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le moteur (M, M') tourne à l'une des deux vitesses, le moteur tournant à une première vitesse lors du démarrage de l'appareil de production de métal (FM) et à une deuxième vitesse lors du fonctionnement stable de l'appareil, la première vitesse étant supérieure à la deuxième vitesse.
7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel le moteur est alimenté par un courant alternatif à fréquence plus élevée lors du démarrage de l'appareil de production de métal (FM) que la fréquence du courant pendant le fonctionnement stable de l'appareil.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la fréquence du courant est variable.
9. Procédé selon la revendication 7 dans lequel le moteur (M, M') comprend plusieurs bobines, couplées différemment selon la marche de l'appareil.
10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 9 dans lequel un appareil de séparation d'air et un appareil de production de métal (FM) sont alimentés en air à partir d'un compresseur (S) et l'appareil de production de métal est alimenté en un produit gazeux (O) de l'appareil de séparation d'air, dans lequel on démarre d'abord le compresseur (S) alimentant les deux appareils et ensuite on démarre l'appareil de séparation d'air selon l'une des revendications 6 à 10.
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