EP1223396B2 - Procédé intégré de séparation d'air et de génération d'énergie - Google Patents

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EP1223396B2
EP1223396B2 EP01403287A EP01403287A EP1223396B2 EP 1223396 B2 EP1223396 B2 EP 1223396B2 EP 01403287 A EP01403287 A EP 01403287A EP 01403287 A EP01403287 A EP 01403287A EP 1223396 B2 EP1223396 B2 EP 1223396B2
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EP
European Patent Office
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air
compressor
separation unit
air separation
nitrogen
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EP1223396B1 (fr
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Alain Guillard
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine

Definitions

  • the present invention relates to an integrated method of air separation and energy generation.
  • US Patent 5664411 shows an installation with three gas turbines and an air separation unit, which is powered solely by a dedicated compressor.
  • each separation device can be fed from a gas turbine compressor and sends nitrogen only to the same gas turbine that feeds it.
  • An object of the invention is to overcome the defects of the prior methods, in particular by allowing a more flexible operation and a more reliable start. According to one object of the invention, there is provided a method according to claim 1.
  • the first air separation apparatus may be the only air separation apparatus of the set or may be the first of several apparatuses.
  • the nitrogen enriched gas is sent upstream of the first turbine: thus it can be sent to the combustion chamber, possibly after being mixed with the fuel or other fluid, and / or it can be sent to the inlet of the first turbine. turbine.
  • an oxygen enriched gas produced by the first air separation apparatus is fed to a gasification unit from which the fuel for the combustion chamber originates.
  • an 'air bar' which is a common conduit for air flows from various different compressors, whether air compressors also associated with a gas turbine, compressors of air. dedicated air to one or more air separation units.
  • FIG. 1 An installation that can operate a process that is not according to the invention is schematically illustrated in the Figure 1 .
  • a second installation incorporating two air separation units is schematically illustrated in the Figure 2 ; the method according to the invention relates to this type of installation.
  • An air separation apparatus 1 comprises at least two cryogenic distillation columns (not shown). It may for example comprise three columns, including a high pressure column, a low pressure column and an intermediate pressure column. A device of this kind is described in EP-A-0538118 . Alternatively or additionally it may comprise a mixing column and / or an argon production column. It produces nitrogen-enriched gas, usually referred to as waste gas 3, an oxygen-enriched gas at high pressure 5, another nitrogen-enriched gas 7 and optionally liquid product (s) 9 and / or a fluid enriched in nitrogen. argon 11.
  • the air supply of this unit is from one or more air compressors.
  • a first air compressor 13 provides air to the air separation apparatus 1 and a first combustion chamber 17, the combustion gases of which supply a first expansion turbine 19 which generates electricity.
  • a second air compressor 15 provides air to the air separation apparatus 1 and a second combustion chamber 23, the combustion gases of which supply a second expansion turbine 25 which generates electricity.
  • a third air compressor 21 supplies air exclusively to the air separation apparatus.
  • the air separation unit 1 receives at least 90% of its air from the compressor 21.
  • the means for cooling the air of the outlet temperature of the compressors 13,15 at a temperature close to ambient upstream of the air separation apparatus 1 are not illustrated.
  • the waste gas 3 of the separation apparatus can be sent upstream of the first and / or the second turbine, for example to the first and / or second combustion chamber or to the inlet of the first and / or the second turbine.
  • the apparatus may comprise means for modifying the pressure of the waste gas 3, such as one or more compressors 31, 33, 35 shown in dotted lines.
  • This means can be constituted by a compressor, an expansion valve or a turbine.
  • the oxygen-enriched pressurized gas is preferably fed to one or more gasifiers where it is used to produce fuel for at least one of the combustion chambers 17,23.
  • the compressors 13, 15, 21 may supply air at different pressures, for example different than at least 1 bar from each other.
  • the higher pressure flow rates can be expanded to the lower pressure to purify all air flows together.
  • the load levels of gas turbines may be different.
  • the flows can be sent to columns of the ASU operating at different pressures and / or purified, each at their optimum pressure.
  • the apparatus 1 produces the same products as those described above: the apparatus 101 produces at least waste nitrogen 103 and oxygen enriched gas under high pressure.
  • the waste nitrogen 103 is sent to the first and / or the second combustion chamber.
  • the oxygen 105 may be sent to another gasifier 131, gasify 31 or another use, particularly if its purity is different from that of oxygen 5.
  • the apparatus 101 is supplied with air from a possibly dedicated compressor 121 and possibly from the first compressor 13 and / or the second compressor 15 and / or the dedicated compressor 21. According to the invention, but not shown, the apparatus 101 is necessarily supplied with air by one of the compressors 13, 15 and by the compressor 21.
  • the installation may comprise means for modifying the pressure of the residual gas 3, 103, such as one or more compressors.
  • means for modifying the pressure of the residual gas 3, 103 such as one or more compressors.
  • there may be a means of pressure modification on the line bringing the air from the compressor 13 to the ASU 1 or the ASU 101 and / or a pressure modification means on the line bringing the air from the compressor 15 to the ASU 1 and / or the ASU 101.
  • This means can be constituted by a compressor, an expansion valve or a turbine.

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Description

  • La présente invention est relative à un procédé intégré de séparation d'air et de génération d'énergie.
  • En particulier elle concerne un procédé intégré de séparation d'air pour la production de fluide enrichi en oxygène et éventuellement de fluide enrichi en azote.
  • Il est bien connu d'envoyer un gaz enrichi en azote d'un appareil de séparation d'air en amont d'une turbine de détente de gaz de combustion. La chambre de combustion est alimentée en air comprimé provenant d'un compresseur d'air qui peut fournir tout ou une partie de l'air nécessaire à l'appareil de séparation d'air (ASU) comme illustré dans EP-A-0538118 . Alternativement comme dans le cas de GB-A-2067668 tout l'air peut provenir d'un compresseur dédié.
  • US-A-5664411 montre une installation avec trois turbines à gaz et un appareil de séparation d'air, celui-ci étant alimenté uniquement par un compresseur dédié.
  • Généralement pour des questions de fiabilité, sur un même site, il y a deux turbines à gaz et deux appareils de séparation d'air sensiblement identiques produisant à la fois l'oxygène impur nécessaire à la gazéification des carburants et l'azote. Chaque appareil de séparation peut être alimenté à partir d'un compresseur de turbine à gaz et envoie de l'azote uniquement à cette même turbine à gaz qui l'alimente.
  • Un but de l'invention est de pallier les défauts des procédés antérieurs, en particulier en permettant un fonctionnement plus souple et un démarrage plus fiable. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé selon la revendication 1.
  • Il sera compris que le premier appareil de séparation d'air peut être le seul appareil de séparation d'air de l'ensemble ou peut être le premier de plusieurs appareils.
  • Le gaz enrichi en azote est envoyé en amont de la première turbine : ainsi il peut être envoyé à la chambre de combustion, éventuellement après avoir été mélangé au carburant ou un autre fluide, et/ou il peut être envoyé à l'entrée de la turbine.
  • De préférence un gaz enrichi en oxygène produit par le premier appareil de séparation d'air est envoyé à une unité de gazéification d'où provient le carburant pour la chambre de combustion.
  • Il peut être utile de prévoir une 'barre d'air' qui est une conduite commune pour des débits d'air provenant de divers compresseurs différents, que ce soit des compresseurs d'air également associés à une turbine à gaz, des compresseurs d'air dédiés à un ou plusieurs appareils de séparation d'air.
  • De préférence tous les débits d'air destinés à un appareil de séparation d'air y parviennent à travers une conduite commune.
  • Il est même possible de prévoir une conduite commune d'air comprimé pour plusieurs appareils de séparation d'air.
  • Il est préférable de mélanger des débits d'air provenant d'au moins deux compresseurs différents, en amont de l'échangeur principal de l'appareil de séparation ou mieux en amont de lits d'adsorbant de l'appareil de séparation d'air.
  • Selon d'autres aspects facultatifs et alternatifs de l'invention :
    • au moins 30% du débit d'air traité par le premier appareil de séparation en marche nominale provient du troisième compresseur, de préférence au moins 40% ou 50% ou 60% ou 70%.
    • en marche réduite par rapport à la marche nominale, le premier appareil de séparation d'air reçoit au moins 90% de son air, de préférence au moins 85% ou 90% ou 95% de son air du troisième compresseur ou est alimenté exclusivement par le troisième compresseur (cette marche réduite peut par exemple être pendant un phase transitoire de changement de marche, pendant le démarrage ou n'importe quelle autre phase ou la marche est réduite, c'est à dire que l'appareil produit moins de produits que la quantité de produits maximale qu'il est censé produire).
    • en marche nominale au plus 70% de l'air traité par le premier appareil de séparation d'air provient du premier et/ou du deuxième compresseur.
    • en marche nominale au plus 50% de l'air traité par le premier appareil de séparation d'air provient du premier et/ou du deuxième compresseurs.
    • en marche nominale au plus 40% de l'air traité par le premier appareil de séparation d'air provient d'au moins un des premier et deuxième compresseurs.
    • de l'air comprimé est fourni à un deuxième appareil de séparation d'air produisant au moins un fluide enrichi en oxygène et éventuellement au moins un fluide enrichi en azote, par au moins un des premiers et deuxième compresseurs et un gaz enrichi en azote est envoyé du deuxième appareil de séparation d'air en amont d'une au moins des première et deuxième turbines de détente.
    • le même compresseur envoie au moins 80%, de préférence au moins 90% ou même 100% de l'air qu'il comprime , aux premier et au deuxième appareil de séparation d'air.
    • un compresseur dédié alimente le deuxième appareil de séparation d'air.
    • l'air provenant d'au moins le premier compresseur est détendu ou comprimé en amont du premier et/ou du deuxième appareil de séparation d'air.
    • l'air provenant d'au moins le deuxième compresseur () est détendu ou comprimé en amont du premier et/ou du deuxième appareil de séparation d'air.
    • une turbine de détente d'air qui provient d'un des premier, deuxième et troisième compresseurs d'air est couplée à un compresseur d'air qui provient d'un autres des premier, deuxième et troisième compresseur d'air.
    • de l'air provenant du premier compresseur est mélangé avec de l'air provenant du deuxième compresseur et/ou de l'air provenant du troisième compresseur avant d'être envoyé au premier appareil de séparation d'air, et de préférence avant d'être épuré dans une seule unité d'épuration en amont de l'appareil de séparation d'air
    • le gaz enrichi en azote provenant du premier appareil de séparation d'air est détendu ou comprimé en amont d'une au moins des première et deuxième turbines de détente.
    • le gaz enrichi en azote provenant du deuxième appareil de séparation d'air est détendu ou comprimé en amont d'une au moins des première et deuxième turbines de détente.
    • une turbine de détente de gaz enrichi en azote provenant d'un des appareil de séparation d'air est couplée avec un compresseur de gaz enrichi en azote provenant de l'autre appareil de séparation d'air.
  • Une installation pouvant faire fonctionner un procédé qui n'est pas selon l'invention est illustrée schématiquement dans la Figure 1. Une deuxième installation incorporant deux appareils de séparation d'air est illustrée schématiquement dans la Figure 2 ; le procedé selon l'invention se rapporte à ce type d'installation.
  • Un appareil de séparation d'air 1 comprend au moins deux colonnes de distillation cryogéniques (non-illustrées).Il peut par exemple comprendre trois colonnes, dont une colonne haute pression, une colonne basse pression et une colonne à pression intermédiaire. Un appareil de ce genre est décrit en EP-A-0538118 . Alternativement ou additionellement il peut comprendre une colonne de mélange et/ou une colonne de production d'argon. Il produit du gaz enrichi en azote, habituellement désigné gaz résiduaire 3, un gaz enrichi en oxygène à une pression élevée 5, un autre gaz enrichi en azote 7 et éventuellement un ou des produits liquide(s) 9 et/ou un fluide enrichi en argon 11.
  • L'alimentation en air de cet appareil se fait à partir d'un ou plusieurs compresseurs d'air.
  • Un premier compresseur d'air 13 fournit de l'air à l'appareil de séparation d'air 1 et à une première chambre de combustion 17, dont les gaz de combustion alimentent une première turbine de détente 19 qui génère de l'électricité.
  • Un deuxième compresseur d'air 15 fournit de l'air à l'appareil de séparation d'air 1 et à une deuxième chambre de combustion 23, dont les gaz de combustion alimentent une deuxième turbine de détente 25 qui génère de l'électricité. Un troisième compresseur d'air 21 fournit de l'air exclusivement à l'appareil de séparation d'air.
  • En marche réduite l'appareil de séparation d'air 1 reçoit au moins 90% de son air du compresseur 21.
  • Les moyens pour refroidir l'air de la température de sortie des compresseurs 13,15 à une température voisine de l'ambiante en amont de l'appareil de séparation d'air 1 ne sont pas illustrés.
  • Le gaz résiduaire 3 de l'appareil de séparation peut être envoyé en amont de la première et/ou la deuxième turbine, par exemple à la première et/ou à la deuxième chambre de combustion ou à l'entrée de la première et/ou la deuxième turbine.
  • Optionnellement l'appareil peut comprendre des moyens de modification de pression du gaz résiduaire 3, tels que un ou des compresseurs 31,33,35 montrés en pointillés. De même, il peut y avoir un moyen de modification de pression 37 sur la ligne amenant l'air du compresseur 13 vers l'appareil de séparation d'air (ASU) 1 et/ou un moyen de modification de pression 39 sur la ligne amenant l'air du compresseur 15 vers l'ASU 1. Ce moyen peut être constitué par un compresseur, une vanne de détente ou une turbine. Il peut y avoir un moyen d'augmentation de pression 37 sur la ligne amenant l'air du compresseur 13 vers l'ASU 1 et/ou un moyen de réduction de pression 39 sur la ligne amenant l'air du compresseur 15 vers l'ASU 1 ou alternativement, un moyen de réduction de pression 37 sur la ligne amenant l'air du compresseur 13 vers l'ASU 1 et un moyen d'augmentation de pression 39 sur la ligne amenant l'air du compresseur 15 vers l'ASU 1.
  • Le gaz sous pression enrichi en oxygène est de préférence envoyé à un ou plusieurs gazéifieurs où il sert à produire du carburant pour au moins une des chambres de combustion 17,23.
  • Les compresseurs 13,15,21 peuvent fournir de l'air à des pressions différentes, par exemple différent d'au moins 1 bar les uns des autres. Les débits aux pressions plus élevées peuvent être détendus à la pression plus basse afin d'épurer tous les débits d'air ensemble. Les niveaux de charge des turbines à gaz peuvent être différents.
  • Sinon, les débits peuvent être envoyés à des colonnes de l'ASU opérant à des pressions différentes et/ou épurés, chacun à leur pression optimale.
  • Dans l'installation de la Figure 2 il y a deux appareils de séparation d'air 1,101, chacun ayant au moins deux colonnes de distillation et chacun ayant éventuellement sa propre boite froide.
  • L'appareil 1 produit les mêmes produits que ceux décrits ci-dessus : l'appareil 101 produit au moins de l'azote résiduaire 103 et du gaz enrichi en oxygène sous haute pression.
  • L'azote résiduaire 103 est envoyé à la première et/ou la deuxième chambre de combustion.
  • L'oxygène 105 peut être envoyé à un autre gazéifieur 131, le gazéifier 31 ou un autre emploi, particulièrement si sa pureté est différente de celle de l'oxygène 5.
  • L'appareil 101 est alimenté en air à partir d'un compresseur éventuellement dédié 121 et éventuellement à partir du premier compresseur 13 et/ou le deuxième compresseur 15 et/ou le compresseur dédié 21.
    Selon l'invention, mais non-représenté, l'appareil 101 est obligatoirement alimenté en air par un des compresseurs 13, 15 et par le compresseur 21.
  • Optionnellement tel que montré à la Figure 1, l'installation peut comprendre des moyens de modification de pression du gaz résiduaire 3,103, tels que un ou des compresseurs. De même, il peut y avoir un moyen de modification de pression sur la ligne amenant l'air du compresseur 13 vers l'ASU 1 ou l'ASU 101 et/ou un moyen de modification de pression sur la ligne amenant l'air du compresseur 15 vers l'ASU 1 et/ou l'ASU 101. Ce moyen peut être constitué par un compresseur, une vanne de détente ou une turbine. Il peut y avoir un moyen d'augmentation de pression sur la ligne amenant l'air du compresseur 13 vers l'ASU 1 et/ou l'ASU 101 et/ou un moyen de réduction de pression 39 sur la ligne amenant l'air du compresseur 15 vers l'ASU 1 et/ou l'ASU 2 ou alternativement, un moyen de réduction de pression 37 sur la ligne amenant l'air du compresseur 13 vers l'ASU 1 et/ou l'ASU 101 et un moyen d'augmentation de pression 39 sur la ligne amenant l'air du compresseur 15 vers l'ASU 1 et/ou l'ASU 2.

Claims (11)

  1. Procédé intégré de séparation d'air pour la production de fluide enrichi en oxygène et éventuellement de fluide enrichi en azote dans une installation comprenant au moins un premier appareil de séparation d'air (1) comprenant au moins deux colonnes de distillation, un premier compresseur d'air (13), une première chambre de combustion (17), une première turbine de détente (19), un deuxième compresseur d'air (15), une deuxième chambre de combustion (23) et une deuxième turbine de détente (25) et un troisième compresseur d'air (21) dans lequel de l'air comprimé est envoyé du premier compresseur d'air à la première chambre de combustion et au premier appareil de séparation d'air, de l'air comprimé est envoyé du deuxième compresseur d'air à la deuxième chambre de combustion et au premier appareil de séparation d'air, de l'air est envoyé du troisième compresseur d'air au premier appareil de séparation d'air, du gaz de combustion (27) est envoyé à la première turbine de détente à partir de la première chambre de combustion, du gaz de combustion (29) est envoyé à la deuxième turbine de détente à partir de la deuxième chambre de combustion et un gaz enrichi en azote (3), éventuellement pressurisé, est envoyé à partir du premier appareil de séparation d'air en amont de la première turbine de détente et/ou en amont de la deuxième turbine de détente et dans lequel au moins 20% du débit d'air traité par le premier appareil de séparation (1) en marche nominale provient du troisième compresseur (21) et en marche réduite par rapport à la marche nominale, le premier appareil de séparation d'air (1) reçoit au moins 80% de son air du troisième compresseur (21) et dans lequel le troisième compresseur (21) n'alimente pas de chambre de combustion et dans lequel de l'air comprimé est fourni à un deuxième appareil de séparation d'air (101), produisant au moins un
    fluide enrichi en oxygène et éventuellement au moins un fluide enrichi en azote, par au moins un des premiers et deuxième compresseur (13,15) et par le troisième compresseur (21), et un gaz enrichi en azote (103) est envoyé du deuxième appareil de séparation d'air en amont d'une au moins des première et deuxième turbines de détente (19,25).
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel en marche nominale au plus 50% de l'air traité par le premier appareil de séparation d'air (1) provient du premier et/ou du deuxième compresseur (13,15).
  3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel en marche nominale au plus 40% de l'air traité par le premier appareil de séparation d'air (1) provient d'au moins un des premier et deuxième compresseurs (13, 15).
  4. Procédé selon la revendication 1 à 3 dans lequel le troisième compresseur (21) envoie au moins 80% de l'air qu'il comprime exclusivement aux premier et/ou au deuxième appareils de séparation d'air (1,101).
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air provenant d'au moins le premier compresseur (13) est détendu ou comprimé en amont
    du premier et/ou du deuxième appareil de séparation d'air (1,101).
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air provenant d'au moins le deuxième compresseur (15) est détendu ou comprimé en amont du premier et/ou du deuxième appareil de séparation d'air (1,101).
  7. Procédé selon l'une des revendications 5 et 6 dans lequel une turbine de détente d'air provenant d'un des premier, deuxième ou troisième compresseurs d'air (13,15,21,121) est couplée à un compresseur d'air provenant d'un autre des premier, deuxième ou troisième compresseurs d'air (13,15,21,121).
  8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel de l'air provenant du premier compresseur (13) est mélangé avec de l'air provenant du deuxième compresseur (15) et/ou de l'air provenant du troisième compresseur (21) avant d'être envoyé au premier appareil de séparation d'air (1), et de préférence avant d'être épuré dans une seule unité d'épuration en amont de l'appareil de séparation d'air.
  9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz enrichi en azote (3) provenant du premier appareil de séparation d'air (1,101) est détendu ou comprimé en amont d'une au moins des première et deuxième turbines de détente (19,25).
  10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz enrichi en azote (103) provenant du deuxième appareil de séparation d'air (1, 101) est détendu ou comprimé en amont d'une au moins des première et deuxième turbines de détente (19,25).
  11. Procédé selon les revendications 9 et 10 dans lequel une turbine de détente de gaz enrichi en azote provenant d'un des appareils de séparation d'air est couplée avec un compresseur de gaz enrichi en azote provenant de l'autre appareil de séparation d'air.
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