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(11) | EP 1 269 094 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) |
PROCEDE ET INSTALLATION DE GENERATION D'ENERGIE VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ENERGIEERZEUGUNG METHOD AND INSTALLATION FOR GENERATING ENERGY |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
[0001] La présente invention est relative à un procédé et une installation de génération d'énergie. En particulier elle est relative à un procédé et une installation de génération d'énergie dans lesquels un appareil de séparation d'air envoie un débit de gaz enrichi en azote en amont d'une machine de détente qui génère de l'énergie en détendant des gaz de combustion.
[0002] Différents schémas ont été proposés pour intégrer les turbines à gaz et les unités de séparation d'air par distillation cryogénique, en particulier dans le cadre des IGCC et des unités de séparation d'air par distillation cryogénique fonctionnant à haute pression.
[0003] Typiquement tel que décrit dans US-A-4224045, de l'air est prélevé sur le compresseur d'air de la turbine à gaz pour alimenter au moins partiellement l'unité de séparation d'air qui en retour envoie de l'azote soit dans le combustible destiné à la chambre de combustion soit en amont de la machine de détente de la turbine.
[0004] Dans US-A-4382366, qui constitue l'art antérieur le plus proche, tout l'air comprimé dans un compresseur couplé à une turbine à gaz est envoyé à une simple colonne. La chambre de combustion est alimentée par du carburant et de l'azote impur provenant des échangeurs réversibles de l'appareil de séparation d'air.
[0005] EP-A-0465193 décrit un procédé dans lequel le compresseur couplé à la machine de détente n'envoie pas d'air à l'appareil de séparation d'air.
[0009] Ainsi comme tout l'air du compresseur de la turbine à gaz est envoyé à l'appareil de séparation d'air, la chambre de combustion est simplifiée.
[0010] La combustion avec l'oxygne cotnenu dans un débit de gaz de l'air enrichi en azote provenant d'un appareil de séparation d'air permet une très faible production de NOx.
[0011] Selon d'autres aspects facultatifs de l'invention :
- l'air du compresseur est envoyée à l'appareil de séparation d'air;
- une partie de l'air du compresseur est envoyé à l'appareil de séparation d'air et le reste de l'air comprimé dans le compresseur sert à refroidir au moins un élément de l'appareil autre que la chambre de combustion ;
- l'air envoyé à l'appareil de séparation d'air provient du compresseur ;
- une partie de l'air envoyé à l'appareil de séparation d'air provient d'un compresseur d'appoint ou d'une source d'air sous pression ;
- l'air du compresseur d'appoint est mélangé avec au moins une partie du gaz enrichi en azote avant d'être envoyé à la chambre de combustion;
- on envoie au moins une partie du gaz enrichi en oxygène pour effectuer la gazéification d'un combustible contenant du carbone de façon à générer un débit de combustible ;
- le gaz enrichi en azote contient au moins 5% molaires et au plus 18% molaires d'oxygéne ;
- le gaz enrichi en azote contient moins de 5% molaires d'oxygène ;
- l'air est comprimé par le compresseur jusqu'à entre 8 et 20 bar ;
[0012] Selon un autre objet de l'invention, il est prévu une installation selon la revendication 11.
[0013] Selon un autre aspect optionnel, il est prévu
un gazéifieur, des moyens pour envoyer un gaz enrichi en oxygène de l'appareil de séparation d'air au gazéifieur et des moyens pour envoyer du combustible du gazéifieur à la chambre de combustion.
[0014] De manière à optimiser le fonctionnement de la chambre de combustion, la comburant peut être un mélange d'azote résiduaire d'un ASU et d'air d'appoint afin de contrôler la teneur en oxygène.
[0015] L'invention sera maintenant décrite en plus de détail en se référant aux figures 1 et 2.
La Figure 1 est un schéma d'une installation de production d'énergie selon l'invention.
La Figure 2 est un schéma d'une installation de séparation d'air (ASU) pouvant typiquement servir dans une installation de production d'energie comme celle de la Figure 1.
[0016] Dans la Figure 1 un compresseur 1 couplé à une machine de détente 3 comprime de l'air à une pression entre 8 et 20 bar.
[0017] Tout cet air est refroidi, épuré et envoyé à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique 5 qui produit un débit d'oxygène gazeux ou liquide 7. un débit d'azote gazeux ou liquide 9 et un débit d'azote résiduaire gazeux 11 contenant 91% molaires d'azote et 9% molaires d'oxygène à entre 3 et 11 bar. L'azote résiduaire est réchauffé à la température ambiante et comprimé dans un compresseur 13 à une pression entre 8 et 30 bar.
[0019] Au moins une partie de l'azote gazeux comprimé 15 est envoyé avec un débit de gaz naturel 17 à une chambre de combustion 19. L'oxygène contenu dans l'azote gazeux sert de carburant.
[0020] Un débit d'air 25 à une pression entre 8 et 30 bar provenant d'un compresseur d'appoint 21 ou d'un autre source d'air sous pression est envoyé à la chambre de combustion 19.
[0021] Dans ce cas, comme l'air contient de l'oxygène, le contenu en oxygène de l'azote résiduaire peut être plus bas selon la quantité d'air envoyé à la chambre de combustion 19; le débit enrichi en azote peut ne comprendre que entre 2 et 5% d'oxygène.
[0022] Un autre débit d'air 23 de ce compresseur et/ou un débit d'azote résiduaire comprimé 27 peut refroidir les inter-étage de la machine de détente 3 ou du compresseur d'azote 13.
[0023] Un autre débit d'air 29 de ce compresseur et/ou un débit d'azote résiduaire comprimé 31 peut être mélangé avec les gaz de combustion 33 et le tout est ensuite envoyé à la machine de détente.
[0025] Un autre débit d'air 37 de ce compresseur et/ou un débit d'azote résiduaire comprimé 39 peut refroidir le rotor 41 de la machine de détente 3 ou les parois de la chambre de combustion 19.
[0026] Une partie de l'air 35 du compresseur d'appoint 21 peut être séparée dans l'appareil de séparation d'air 5. De cette façon, l'appareil peut être alimenté en air quand le compresseur 1 ne fonctionne pas. Autrement ce débit supplémentaire d'air du compresseur 21 peut permettre d'augmenter la production d'oxygène de l'appareil 5.
[0027] Eventuellement de l'air du compresseur 1 peut ne pas être envoyé à l'appareil de séparation d'air 5 car il est utilisé pour refroidir divers éléments de la turbine à gaz. Cette partie de l'air peut représenter environ 25% de l'air comprimé.
[0028] L'appareil de séparation d'air peut être alimenté totalement ou partiellement par de l'air provenant d'un compresseur dédié, au moins pour le démarrage.
[0029] La Figure 2 montre un appareil de séparation d'air comprenant une première colonne 101 opérant entre 4 et 30 bar, une deuxième colonne 102 opérant entre 4 et 30 bar et une troisième colonne 103 opérant entre 1,3 et 10 bar. Cet appareil pourrait servir d'appareil de séparation 5 de la Figure 1. De préférence, les colonnes 101,102 opèrent au-dessus de 8 bar.
[0030] L'air du compresseur 1 est épuré et divisé en deux 105,107.Un débit 105 se refroidit dans l'échangeur principal 109 et est envoyé en tête de la première colonne 101 comme seule alimentation. L'autre débit 107 est surpressé dans le surpresseur 127 (qui peut être un surpresseur froid) et refroidi dans l'échangeur 109 ; ensuite il est envoyé au rebouilleur de cuve 111 de la première colonne 101 où il se condense au moins partiellement avant d'être envoyé après détente à la deuxième colonne. La deuxième colonne est alimentée en cuve quelques plateaux théoriques en dessous de l'air partiellement condensé par un débit de liquide provenant de la cuve de la première colonne 101. Le gaz de tête de la première colonne constitue de l'air appauvri 115, donc ce débit enrichi en azote peut être destiné au compresseur 13 car il est presque à la même pression que l'air d'alimentation.
[0031] Le liquide de cuve de la deuxième colonne est détendu et envoyé à un niveau intermédiaire de la troisième colonne comme seule alimentation. La cuve de la troisième colonne est reliée thermiquement avec la tête de la deuxième colonne au moyen d'un vaporiseur-condenseur 113.
[0033] De l'oxygène gazeux 121 est soutiré en cuve de la colonne 103. Eventuellement ce débit peut être soutiré sous forme liquide, pressurisé et vaporisé dans l'échangeur 109.
[0034] Un gaz de tête 117 de la troisième colonne constitue un débit enrichi en azote à basse pression et peut servir à refroidir divers éléments tels que les inter-étages de la turbine, le rotor etc. plutôt que l'air appauvri 115 qui, lui, est à pression élevée.
[0035] Evidemment l'appareil doit être tenu en froid par un moyen non-illustré qui peut être une turbine Claude envoyant de l'air à la colonne 101,102, une turbine d'insuifilation envoyant de l'air à la colonne 103, une turbine d'azote résiduaire 117 si la colonne 103 est sous pression ou une turbine d'azote moyenne pression 119.
[0037] Le schéma de la Figure 2 a été décrit dans le contexte d'un procédé intégré dans lequel tout l'air du compresseur de la turbine à gaz est envoyé à l'ASU mais il est évident que le schéma peut être utilisé dans des cas ou tout ou une partie de l'air de ce compresseur est envoyé à la chambre de combustion ou même dans le cas où l'ASU n'est pas intégré avec un autre appareil.
1. Procédé de génération d'énergie utilisant un appareil de génération d'énergie comprenant
les étapes de :
i) comprimer de l'air dans un compresseur (1) ;
ii) envoyer au moins une partie de l'air comprimé dans le compresseur à un appareil de séparation d'air (5) pour produire au moins un fluide enrichi en oxygène (7) et au moins un gaz enrichi en azote (9,11) et contenant également de l'oxygène;
iii) envoyer du combustible (17) et au moins une partie du gaz enrichi en azote (11) à une chambre de combustion afin de produire des gaz de combustion (33), l'air comprimé dans le compresseur (1) n'étant pas envoyé à la chambre de combustion ; et
iv) détendre les gaz de combustion dans une machine de détente (3) couplée au compresseur pour récupérer de l'énergie ;
caractérisé en ce que le gaz enrichi en azote est comprimé à une pression entre 8 et 30 bar avant d'être envoyé à la chambre de combustion et on envoie de l'air à une pression entre 8 et 30 bar d' un compresseur d'appoint (21) à la chambre de combustion (19) ou d'une source d'air sous pression autre que le compresseur (1).2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel tout l'air du compresseur (1) est envoyé
à l'appareil de séparation d'air (5).
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel une partie de l'air du compresseur (1)
est envoyé à l'appareil de séparation d'air (5) et le reste de l'air comprimé dans
le compresseur sert à refroidir au moins un élément de l'appareil autre que la chambre
de combustion (19).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel tout l'air envoyé à l'appareil
de séparation d'air (5) provient du compresseur (1).
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel une partie (35) de l'air
envoyé à l'appareil de séparation d'air (5) provient d'un compresseur d'appoint (21)
ou d'une source d'air sous pression.
6. Procédé selon la revendication 1 à 5 dans lequel au moins une partie de l'air du compresseur
d'appoint (21) est mélangé avec au moins une partie du gaz enrichi en azote (11) avant
d'être envoyé à la chambre de combustion.
7. Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel on envoie au moins une
partie du gaz enrichi en oxygène (1) pour effectuer la gazéification d'un combustible
contenant du carbone de façon à générer un débit de combustible.
8. Procède selon l'une des revendications précédentes dans lequel le gaz enrichi en azote
(11,15) contient au moins 5% molaires et au plus 18% molaires d'oxygène ou est mélangé
avec de l'air pour produire un gaz contenant au moins 5% molaires et au plus 18% molaires
d'oxygène, ce gaz étant ensuite envoyé à la chambre de combustion (19).
9. Procédé selon ta revendication 1 à 5 ou 7 dans lequel le gaz enrichi en azote (11,15)
contient moins de 5% molaires d'oxygène.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'air est comprimé
par le compresseur (1) jusqu'à entre 8 et 20 bar.
11. Installation de génération d'énergie comprenant :
i) un compresseur (1)
ii) une machine de détente (3) couplée au compresseur ;
iii) une chambre de combustion (19) ;
iv) un appareil de séparation d'air (5) ;
v) des moyens pour envoyer de l'air du compresseur à l'appareil de séparation d'air;
vi) des moyens pour envoyer un gaz enrichi en azote (11,15) et contenant de l'oxygène de l'appareil de séparation d'air à la chambre de combustion et aucun moyen d'envoi d'air du compresseur à la chambre de combustion ;
caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (13) pour comprimer le gaz enrichi en azote avant de l'envoyer à la chambre de combustion ainsi qu'un compresseur d'appoint (21) ou une source d'air sous pression autre que le compresseur (1) pour envoyer de l'air à la chambre de combustion.12. Installation selon la revendication 11 comprenant un gazéifieur, des moyens pour envoyer
un gaz enrichi en oxygène de l'appareil de séparation d'air au gazéifieur et des moyens
pour envoyer du combustible du gazéifieur à la chambre de combustion.
1. Method of generating energy using an energy generation unit comprising the steps of:
i) compressing air in a compressor (1);
ii) sending at least part of the air compressed in the compressor to an air separation unit (5) in order to produce at least one oxygen-enriched fluid (7) and at least one nitrogen-enriched gas (9, 11) also containing oxygen;
iii) sending fuel (17) and at least part of the nitrogen-enriched gas (11) to a combustion chamber in order to produce combustion gases (33), the air compressed in the compressor (1) not being sent to the combustion chamber; and
iv) expanding the combustion gases in an expansion machine (3) coupled to the compressor in order to recover energy;
characterized in that the nitrogen-enriched gas is compressed to a pressure between 8 and 30 bar before being sent to the combustion chamber and air at a pressure from 8 to 30 bar from a makeup compressor (21) or a source of pressurized air other than the compressor (1) is sent to the combustion chamber (19).2. Method according to Claim 1, in which all the air from the compressor (1) is sent
to the air separation unit (5).
3. Method according to Claim 1, in which part of the air from the compressor (1) is sent
to the air separation unit (5) and the rest of the air compressed in the compressor
serves to cool at least one element of the unit other than the combustion chamber
(19).
4. Method according to one of Claims 1 to 3, in which all the air sent to the air separation
unit (5) comes from the compressor (1).
5. Method according to one of Claims 1 to 3, in which part (35) of the air sent to the
air separation unit (5) comes from a makeup compressor (21) or a source of pressurized
air.
6. Method according to Claims 1 to 5, in which at least part of the air from the makeup
compressor (21) is mixed with at least part of the nitrogen-enriched gas (11) before
being sent to the combustion chamber.
7. Method according to one of the preceding claims, in which at least part of the oxygen-enriched
gas (1) is sent in order to gasify a fuel containing carbon so as to generate a fuel
stream.
8. Method according to one of the preceding claims, in which the nitrogen-enriched gas
(11, 15) contains at least 5 mol% and at most 18 mol% of oxygen or is mixed with air
in order to produce a gas containing at least 5 mol% and at most 18 mol% of oxygen,
this gas then being sent to the combustion chamber (19).
9. Method according to Claims 1 to 5 or 7, in which the nitrogen-enriched gas (11, 15)
contains less than 5 mol% of oxygen.
10. Method according to one of the preceding claims, in which the air is compressed by
the compressor (1) to between 8 and 20 bar.
11. Energy generating installation comprising:
i) a compressor (1);
ii) an expansion machine (3) coupled to the compressor;
iii) a combustion chamber (19);
iv) an air separation unit (15);
v) means for sending the air from the compressor to the air separation unit;
vi) means for sending a nitrogen-enriched gas (11, 15) containing oxygen from the air separation unit to the combustion chamber and no means for sending air from the compressor to the combustion chamber,
characterized in that it comprises means (13) for compressing the nitrogen-enriched gas before sending it to the combustion chamber, as well as a makeup compressor (21) or a source of pressurized air other than the compressor (1) for sending air to the combustion chamber.12. Installation according to Claim 11, comprising a gasifier, means for sending an oxygen-enriched
gas from the air separation unit to the gasifier and means for sending fuel from the
gasifier to the combustion chamber.
1. Verfahren zur Stromerzeugung, das ein Gerät zur Stromerzeugung verwendet, umfassend
die folgenden Schritte:
i) Verdichten der Luft in einem Kompressor (1);
ii) Schicken mindestens eines Teils der in dem Kompressor verdichteten Luft an eine Luftzerlegungsanlage (5), um mindestens ein mit Sauerstoff angereichertes Fluid (7) und mindestens ein mit Stickstoff angereichertes Gas (9, 11), das auch Sauerstoff enthält, zu erzeugen;
iii) Schicken des Brennstoffes (17) und mindestens eines Teils des mit Stickstoff (11) angereicherten Gases an eine Verbrennungskammer, um Verbrennungsgase (33) zu erzeugen, wobei die in dem Kompressor (1) verdichtete Luft nicht an die Verbrennungskammer geschickt wird; und
iv) Mindern des Drucks der Verbrennungsgase in einem Druckminderungsgerät (3), das mit dem Kompressor zur Stromrückgewinnung gekoppelt ist;
dadurch gekennzeichnet, dass das mit Stickstoff angereicherte Gas bei einem Druck zwischen 8 und 30 bar verdichtet wird, bevor es an die Verbrennungskammer geschickt wird, und dass die Luft bei einem Druck zwischen 8 und 30 bar von einem Zusatzkompressor (21) an die Verbrennungskammer (19) oder von einer anderen Druckluftquelle als dem Kompressor (1) geschickt wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die gesamte Luft aus dem Kompressor (1) an die
Luftzerlegungsanlage (5) geschickt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil der Luft aus dem Kompressor (1) an die
Luftzerlegungsanlage (5) geschickt wird und die übrige in dem Kompressor verdichtete
Luft dazu dient, mindestens ein anderes Element des Geräts als die Verbrennungskammer
(19) zu kühlen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die gesamte an die Luftzerlegungsanlage
(5) geschickte Luft vom Kompressor (1) stammt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Teil (35) der an die Luftzerlegungsanlage
(5) geschickten Luft von einem Zusatzkompressor (21) oder einer Druckluftquelle stammt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens ein Teil der Luft aus
dem Zusatzkompressor (21) mit mindestens einem Teil des mit Stickstoff angereicherten
Gases (11) gemischt wird, bevor sie an die Verbrennungskammer geschickt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der
mit Sauerstoff angereicherten Luft (1) geschickt wird, um die Vergasung eines Brennstoffes,
der Kohlenstoff enthält, durchzuführen, um eine Brennstoffmenge zu erzeugen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mit Stickstoff angereicherte
Gas (11, 15) mindestens 5 Mol-% und höchstens 18 Mol-% Sauerstoff enthält oder mit
Luft gemischt wird, um ein Gas zu erzeugen, das mindestens 5 Mol-% und höchstens 18
Mol-% Sauerstoff enthält, wobei dieses Gas dann an die Verbrennungskammer (19) geschickt
wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, bei dem das mit Stickstoff angereicherte
Gas (11, 15) weniger als 5 Mol-% Sauerstoff enthält.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Luft vom Kompressor
(1) bis auf zwischen 8 und 20 bar verdichtet wird.
11. Stromerzeugungsanlage, umfassend:
i) einen Kompressor (1)
ii) ein an den Kompressor gekoppeltes Druckmindergerät (3)
iii) eine Verbrennungskammer (19)
iv) eine Luftzerlegungsanlage (15)
v) Mittel, um Luft vom Kompressor zur Luftzerlegungsanlage zu schicken,
vi) Mittel, um ein mit Stickstoff angereichertes Gas (11, 15), das Sauerstoff von der Luftzerlegungsanlage enthält, an die Verbrennungskammer zu schicken, und kein Mittel, um Luft vom Kompressor an die Verbrennungskammer zu schicken,
dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (13), um das mit Stickstoff angereicherte Gas zu verdichten, bevor es an die Verbrennungskammer geschickt wird, sowie einen Zusatzkompressor (21) oder eine andere Druckluftquelle als den Kompressor (1) umfasst, um Luft an die Verbrennungskammer zu schicken.12. Anlage nach Anspruch 11, umfassend einen Vergaser, Mittel, um ein mit Sauerstoff angereichertes
Gas von der Luftzerlegungsanlage an den Vergaser zu schicken, und Mittel, um Brennstoff
vom Vergaser an die Verbrennungskammer zu schicken.