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CA 02771201 2012-02-14
WO 2011/030035 PCT/FR2010/051765
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Procédé d'opération d'au moins un appareil de séparation d'air
et d'une unité de consommation d'oxygène
La présente invention concerne un procédé d'opération d'au moins un
appareil de séparation d'air et d'une unité consommatrice d'un gaz riche en
oxygène, comprenant une unité de combustion de combustibles carbonés ou une
unité de gazéification, l'unité consommatrice du gaz riche en oxygène étant
io capable de générer de l'électricité. L'unité consommatrice est alimentée
par un
gaz riche en oxygène, issu de l'appareil ou des appareils de séparation d'air.
Une des technologies de capture de C02 pour les unités de combustion de
combustibles carbonés, pour la production d'énergie, appelée l'Oxycombustion,
nécessitera de très grande quantités d'oxygène (de 10000 M tonnes par jour à
20000 M tonnes par jour suivant les sites) produite par une série d'appareil
de
séparation d'air associée à des l'unités de séparation des gaz résiduaires des
unités de combustion pour produire le C02 à la sortie de ou des unité de
combustions avant son transport et séquestration. Ces appareils de séparation
d'air sont de très gros consommateurs d'énergie électrique, ce qui pénalise la
mise sur réseau de la puissance produite par l'unité consommatrice aux heures
où l'énergie est valorisée au plus haut.
Sont connus des systèmes de bascule qui permettent de limiter la
puissance consommée par celles-ci pendant les heures de pointes,
(US-A-20080115531 ou WO-A-09/071833).
Il est aussi envisageable d'arrêter et de redémarrer les appareils de
séparation d'air pour économiser de l'énergie et de repasser ainsi en mode air
pour l'unité consommatrice et en ne capturant pas le C02 que pendant ces
périodes de relativement courte durée, mais le temps de redémarrage n'est pas
forcément compatible avec plusieurs opérations de ce type chaque jour.
Une partie des unités de combustion est prévue pour fonctionner en base,
c'est-à-dire d'une façon stable et continu sur tout ou presque toute l'année
(haute,
intermédiaire, et basse saison), et ce généralement proche de leur
consommation
nominale, afin de mettre sur le réseau d'une façon continue de l'énergie
électrique, d'autres unité de combustions sont prévues pour marcher d'une
façon
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plus erratique et répondre aux besoins à partir d'un certain niveau de
consommation d'énergie électrique (haute et saison intermédiaire), voire
d'autres
encore qui sont prévues pour répondre uniquement aux besoins de pointe
(quelques centaines, voir un peu plus d'un millier d'heures par an, haute
saison).
Dans le cas des unité de combustion fonctionnant d'une façon relativement
erratique, les appareils de séparation d'air, qui fournissent l'oxygène pour
l'oxycombustion sont dimensionnés pour fournir à leur nominal l'ensemble des
besoins de l'unité consommatrice quand celle-ci marche normalement, et sont
obligées de mettre à l'air ou de s'arrêter lorsque la unité de combustion
s'arrête
io durant quelques heures chaque jour ou quelques jours par semaine quand la
demande est faible, ce qui a pour conséquence au global une perte d'énergie
considérable.
En effet la mise à l'air de l'oxygène après que celui-ci ait été séparé, même
si elle peut être faite à basse pression, représente une énergie perdue de
l'ordre
de 0,2 à 0,35 KWh/Nm3 suivant les schémas de procédé utilisés.
Quant au redémarrage d'un appareil de séparation d'air après un arrêt de
courte durée, en dehors de sa complexité, prendra de l'ordre d'une heure avant
d'obtenir les puretés et pression requises, ce qui correspond aussi à une
perte
d'énergie non négligeable.
Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé d'opération d'une
installation comprenant au moins deux appareils de séparation d'air, un
système
de stockage et une unité consommatrice d'un gaz riche en oxygène comprenant
une unité de combustion de combustibles carbonés ou d'une unité de
gazéification, l'unité consommatrice étant capable de générer de l'électricité
au
moins selon une première marche, dans lequel l'installation fonctionne suivant
plusieurs marches,
a) selon la première marche, pendant laquelle le coût de l'électricité est
supérieur à un premier seuil tarifaire, l'unité consommatrice reçoit une
quantité de
gaz riche en oxygène, supérieure à un premier seuil de consommation, provenant
3o d'au moins un des appareils de séparation d'air, le gaz riche en oxygène
constitué en partie par de l'oxygène stocké dans le système de stockage, qui
est
alimenté par les appareils de séparation d'air pendant une deuxième marche, et
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en partie par de l'oxygène produit par distillation dans au moins un appareil
de
séparation d'air pendant la première marche et
b) selon la deuxième marche, pendant laquelle le coût de l'électricité est
inférieur à un deuxième seuil tarifaire, le deuxième seuil tarifaire étant
inférieur au
premier seuil tarifaire, l'unité consommatrice consomme une quantité de gaz
riche
en oxygène en dessous d'un deuxième seuil de consommation, le deuxième seuil
étant inférieur au premier seuil, la quantité pouvant être zéro, de l'air se
sépare
dans au moins certains des appareils de séparation d'air et un liquide riche
en
oxygène est envoyé de l'appareil de séparation ou du au moins un appareil de
io séparation au système de stockage et
c) le nombre d'appareils de séparation fonctionnant pendant la première
marche est inférieur au nombre d'appareils fonctionnant pendant la deuxième
marche.
Selon d'autres objets facultatifs
- le nombre de moles d'oxygène dans le liquide riche en oxygène
stockée pendant la totalité de la deuxième marche est inférieure au nombre de
moles d'oxygène envoyé comme gaz riche en oxygène à l'unité consommatrice
pendant la première marche.
- la consommation de gaz riche en oxygène pendant la première
marche est substantiellement constante.
- la quantité d'air envoyée à au moins un des appareils de séparation
d'air, étant celui ou ceux fonctionnant pendant la première marche, correspond
à
une production d'oxygène inférieure d'au moins 15%, de préférence d'au moins
25%, voire d'au moins 40%, à la production d'oxygène gazeux envoyée à l'unité
consommatrice
- la différence entre la production de gaz riche en oxygène
correspondant à la quantité d'air envoyée à l'au moins un appareil
fonctionnant
pendant la première marche et la consommation de gaz riche en oxygène envoyé
à l'unité consommatrice correspond à au moins une partie de la quantité
3o d'oxygène liquide stockée pendant la deuxième marche.
- le nombre d'appareils de séparation fonctionnant pendant la première
marche est inférieur d'au moins 2 au nombre d'appareils fonctionnant pendant
la
deuxième marche.
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- le nombre de compresseurs d'air alimentant un appareil de séparation
d'air et fonctionnant pendant la première marche est inférieur, de préférence
d'au
moins 2, au nombre de compresseurs d'air alimentant un appareil de séparation
d'air fonctionnant pendant la deuxième marche.
- la quantité d'oxygène liquide envoyée de l'appareil ou des appareils
de séparation d'air vers le système de stockage pendant la première marche ne
dépasse pas 1 %, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil
de
séparation d'air (aux appareils de séparation d'air).
- la quantité d'oxygène liquide envoyée du système de stockage vers
io l'appareil ou les appareils de séparation d'air pendant la deuxième marche
ne
dépasse pas 1 %, de préférence 2%, voire 5% du débit d'air envoyé à l'appareil
de
séparation d'air ou aux appareils de séparation d'air.
- la quantité d'oxygène gazeux soutiré des appareils de séparation d'air
(1) pendant la deuxième marche ne dépasse pas 1 %, de préférence 2%, voire 5%
du débit d'air envoyé aux appareils de séparation d'air.
- pendant la deuxième marche et de préférence pas pendant la
première marche, de l'azote liquide et/ou de l'air liquide est envoyé vers les
appareils de séparation d'air, l'azote liquide et/ou l'air liquide étant
produit(s)
pendant la première marche, et de préférence pas pendant la deuxième marche,
par le ou les appareils de séparation d'air.
- il y a n appareils de séparation d'air, n étant de préférence au moins
2, et au moins un des appareils de séparation d'air ou l'appareil de
séparation
d'air a une capacité nominale en gaz riche en oxygène inférieur à la capacité
nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé par n,
- n est au moins égal à trois et au moins deux des appareils de
séparation d'air ont une capacité nominale en gaz riche en oxygène inférieur à
la
capacité nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé
par
n,
- il y a n appareils de séparation d'air, n étant de préférence au moins
2, et au moins un des appareils de séparation d'air ou l'appareil de
séparation
d'air a une capacité nominale en gaz riche en oxygène supérieur à la capacité
nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé par n,
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- n est au moins égal à trois et au moins deux des appareils de
séparation d'air ont une capacité nominale en gaz riche en oxygène supérieur à
la
capacité nominale de l'unité de consommation en gaz riche en oxygène divisé
par
n.
5 Pour des questions de faisabilité et/ou de fiabilité, chaque installation
comprend généralement au moins deux appareils de séparation d'air. Chaque
appareil de séparation comprend une unité d'épuration d'eau et de dioxyde de
carbone pour épurer l'air ainsi qu'une boite froide où se trouvent les
colonnes de
distillation. Pour comprimer l'air il est prévu au moins autant de compresseur
d'air
io que d'appareils de séparation d'air, donc pour le cas de deux appareils, au
moins
deux compresseurs d'air. Ces compresseurs sont associés éventuellement à des
surpresseurs d'air.
L'installation comprend également un système de stockage de produits
liquide (oxygène liquide, azote liquide, et éventuellement air liquide)
constitués
par un ou plusieurs stockages par produit. Ce système de stockage peut être
mis
en commun avec ces appareils de séparation d'air.
Les compresseurs d'air et les surpresseurs d'air peuvent être mis en
réseau afin de fournir en commun l'ensemble des appareils de séparation d'air.
Pendant certaines des périodes de marche, voire toutes, de l'unité
consommatrice (première marche), l'unité consommatrice consomme une quantité
substantiellement constante d'oxygène.
Cette quantité constante est fournie par le ou les appareils de séparation
d'air en permanence. Pendant cette marche, le coût d'électricité est au-dessus
d'un premier seuil tarifaire et la consommation d'oxygène par l'unité
consommatrice est au-dessus d'un premier seuil de consommation. Pendant toute
la première marche, une partie de l'oxygène est toujours produite, à partir
d'oxygène stocké et produit pendant la deuxième marche. L'oxygène provenant
du stockage peut être vaporisé dans un vaporiseur externe aux appareils de
séparation d'air mais il est plus intéressant énergétiquement que les
appareils de
séparation d'air reçoivent les frigories de la chaleur latente de l'oxygène
provenant des stockages.
De l'azote liquide et/ou de l'air liquide peut être produit dans les périodes
de forte demande d'énergie électrique (tarif au-delà du premier seuil
tarifaire) sur
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le réseau par alimentation d'un élément de l'appareil (des appareils) en
oxygène
liquide, pendant que les appareils de séparation d'air sont alimentés par de
l'oxygène liquide provenant d'un stockage du système de stockage, un stockage
de la boite froide ou une source extérieure.
Pendant les périodes d'arrêt de l'unité de combustion, au moins un des
appareils de séparation d'air fonctionne toujours et produit de grandes
quantités
d'oxygène liquide, une colonne de l'appareil de séparation d'air en étant
éventuellement alimentée en azote liquide et/ou d'air liquide provenant d'un
stockage du système de stockage, un stockage de la boite froide ou une source
io extérieure. De préférence, le nombre d'appareils de séparation d'air
fonctionnant
lors de l'arrêt de l'unité consommatrice est plus élevé que le nombre
d'appareils
de séparation d'air fonctionnant lorsque l'unité consommatrice fonctionne. De
cette manière, on profite du bas tarif d'électricité pendant la deuxième
marche
pour faire de l'oxygène liquide qui servira à alimenter l'unité consommatrice
pendant la première marche lorsque l'électricité est chère.
L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui
montre une installation capable de fonctionner selon le procédé de
l'invention.
L'installation comprend un ensemble 1 de quatre appareils de séparation
d'air, un système de stockage 2 et une unité consommatrice de gaz riche en
oxygène 3 pouvant être une unité de combustion de combustibles carbones ou un
gazéifieur. S'il s'agit une unité de combustion, l'unité consommatrice peut
également être alimentée par de l'air à la place de l'oxygène.
Chaque appareil de séparation d'air comprenant une unité d'épuration 5A,
5B, 5C, 5D et une boîte froide 7A, 7B, 7C, 7D, les appareils étant
substantiellement identiques.
Les appareils de séparation d'air peuvent recevoir de l'air de quatre
compresseurs d'air 3A, 3B, 3C, 3D reliés par une conduite commune 9, de sorte
qu'ils puissent alimenter tous les appareils de séparation d'air.
Selon une première marche, l'unité consommatrice de gaz riche en
oxygène 3 reçoit ce gaz d'au plus trois des appareils de séparation d'air.
Pendant
cette première marche, le coût de l'électricité dépasse un premier seuil
tarifaire et
coûte cher. Il est donc désirable de réduire le plus possible la consommation
d'électricité pendant cette marche. Dans ce but, on fait fonctionner au plus
trois
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des appareils de séparation d'air, voire au plus deux des appareils de
séparation
d'air où préférentiellement on ne fait fonctionner qu'au plus trois
compresseurs
d'air, voire au plus deux compresseurs d'air, les boites froides fonctionnant
en
marche réduite.
De l'air des deux ou trois compresseurs en marche est envoyé aux deux ou
trois appareils de séparation d'air et se distille dans les colonnes placées
dans
les boîtes froides pour former un gaz riche en oxygène sous basse pression.
Cette pression dépasse rarement 5 bars abs. L'oxygène peut être soutiré sous
forme gazeuse de la colonne basse pression d'une double colonne. Les doubles
io colonnes peuvent être des appareils ayant deux condenseurs dans la colonne
basse pression, de manière connue. Il est également possible de vaporiser un
liquide soutiré de la colonne en prenant les précautions habituelles pour une
vaporisation à basse pression.
Pour compenser la différence entre l'oxygène gazeux distillé dans les
colonnes et la consommation en oxygène de l'unité consommatrice 3, de
l'oxygène liquide 13 est envoyée du système de stockage 2 vers les appareils
de
séparation d'air en fonctionnement, de sorte que leurs frigories soient
utilisées
intelligemment dans les appareils. L'oxygène gazeux ainsi formé devient une
partie du gaz riche en oxygène 17 envoyé à l'unité consommatrice 3. Pendant
cette première marche, de préférence, aucun débit d'oxygène liquide n'est
envoyé
des appareils de séparation d'air vers le système de stockage. Eventuellement
un
débit d'oxygène liquide ne dépassant pas 1 %, de préférence 2%, voire 5% de
l'air
peut être envoyé des appareils de séparation d'air vers le système de
stockage.
Pendant la deuxième marche, l'unité consommatrice 3 ne fonctionne pas et
donc aucun débit de gaz riche en oxygène n'est envoyé vers cette unité ou le
débit envoyé vers l'unité ne dépasse pas 2% de l'air envoyé aux appareils de
séparation d'air. Dans ce cas, le coût de l'électricité est en dessous d'un
deuxième seuil tarifaire, le deuxième seuil tarifaire étant plus bas que le
premier
seuil tarifaire et l'électricité est donc comparativement bon marché.
Ici il est intéressant de faire fonctionner plus d'appareils de séparation
d'air
et/ou plus de compresseur d'air que pendant la première marche. Ainsi si deux
appareils fonctionnaient pendant la première marche, pendant la deuxième
marche, trois ou quatre appareils fonctionnent et si trois appareils
fonctionnaient
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pendant la première marche, pendant la deuxième marche, quatre appareils
fonctionnent. De même pour les compresseurs, si deux compresseurs
fonctionnaient pendant la première marche, pendant la deuxième marche, trois
ou
quatre compresseurs fonctionnent et si trois compresseurs fonctionnaient
pendant
la première marche, pendant la deuxième marche, quatre compresseurs
fonctionnent.
Selon la deuxième marche, la production d'oxygène gazeux par les
appareils de séparation devient marginale, voire inexistante. La production
d'oxygène gazeux peut représenter jusqu'à 1 %, de préférence 2%, voire 5% de
io l'air d'alimentation, cet oxygène étant mis à l'air. Par contre, les
appareils de
séparation d'air produisent tous de l'oxygène liquide 11 qui est envoyé au
système de stockage 2. Le système de stockage 2 se remplit en oxygène liquide
pendant la deuxième marche mais pas pendant la première et se vide en oxygène
liquide pendant la première marche mais pas pendant la première. Il est
toutefois
possible de vider de toutes petites quantités de liquide du stockage pendant
la
deuxième marche.
La tenue en froid de l'appareil pendant la deuxième marche est assurée
partiellement par un envoi d'azote liquide et/ou d'air liquéfié à l'appareil
ou aux
appareils de séparation d'air. Cet envoi d'azote liquide et/ou d'air liquéfié
n'a pas
lieu pendant la première marche et de préférence l'azote liquide et/ou air
liquéfié
est produit pendant la première marche et envoyé au système de stockage 2.
L'azote liquide et/ou l'air liquide peut être envoyé au moins en partie à une
colonne de l'appareil, un pot séparateur ou un échangeur de l'appareil.
