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EP1951616A2 - Procede de production de gaz de synthese a l'aide d'un gaz oxygene produit par au moins une turbine a gaz - Google Patents

Procede de production de gaz de synthese a l'aide d'un gaz oxygene produit par au moins une turbine a gaz

Info

Publication number
EP1951616A2
EP1951616A2 EP06808332A EP06808332A EP1951616A2 EP 1951616 A2 EP1951616 A2 EP 1951616A2 EP 06808332 A EP06808332 A EP 06808332A EP 06808332 A EP06808332 A EP 06808332A EP 1951616 A2 EP1951616 A2 EP 1951616A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
duct
opening
combustion
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06808332A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Daphné KOH
Pascal Avart
Bhadra Grover
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP1951616A2 publication Critical patent/EP1951616A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C01B13/02—Preparation of oxygen
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of synthesis gas and electricity in which the oxidant required for combustion to enable the synthesis gas formation reaction consists of an oxygen gas produced by at least one gas turbine.
  • a synthesis gas is a gaseous mixture which contains at least CO, H 2 , CH 4 , CO 2 , N 2 , Ar and H 2 O obtained by steam reforming (SMR).
  • the present invention relates to syngas production sites in which at least one gas turbine is also present.
  • gas turbine a device comprising at least one air compressor, a combustion chamber and an expansion turbine.
  • the site may include several gas turbines.
  • the produced compressed air is introduced with at least one fuel into the combustion chamber of the turbine and the product combustion gases pass through the expansion turbine to produce electricity by means of a compressor. alternator.
  • these gases then pass through a heat recovery boiler to produce steam.
  • the fuel of the gas turbine is usually natural gas, but may include hydrogen or synthesis gas from the synthesis gas production unit or a hydrocarbon liquid fuel.
  • the object of the present invention is to provide a synthesis gas production process having improved energy efficiency by combining the production process of the synthesis gas and a cogeneration unit.
  • the invention relates to a method for supplying the combustion device of the combustion device of a synthesis gas production unit with the exhaust gas. produced by a gas turbine, wherein the flow rate of the exhaust gas introduced into the combustion device is controlled according to the value of the oxygen concentration and / or the pressure value within the furnace of the synthesis gas production unit.
  • FIG. 1 to 3 are schematic views of at least three variants of the synthesis gas production method according to the invention also producing electricity and preheated air,
  • FIGS. 4 to 8 are diagrams of the device for delivering a turbine exhaust gas and a secondary oxygen gas in a synthesis gas reactor and in the heat recovery unit connected with the unit of synthesis gas production.
  • the invention therefore relates to a process for producing synthesis gas at an industrial site comprising at least one gas turbine in which the oxygen gas produced by the gas turbine is recovered in the combustion reaction implemented for the production of gas.
  • synthesis according to the invention, the oxidant necessary for combustion to allow the formation reaction of the synthesis gas consists of an oxygen gas produced by at least one gas turbine.
  • the equipment for obtaining the raw synthesis gas may be a steam reforming reactor (SMR), followed by a secondary reforming reactor, or a partial oxidation reactor (POX) using hydrocarbons to produce the feed gas.
  • SMR steam reforming reactor
  • POX partial oxidation reactor
  • the raw synthesis gas comprises hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and other compounds. It can also be a reactor for implementing an ATR process or a convective reforming process.
  • synthesis gas production reactions are carried out at high temperature, which requires combustion within a reactor for the implementation and maintenance of the synthesis reaction.
  • This combustion requires the presence of an oxidizer, which is according to the invention, at least partly derived from the gas turbine.
  • This combustion is implemented by means of burners fed by the exhaust gas of the turbine and by an oxidizer.
  • the latter is usually natural gas, but it can also be a liquid or solid containing hydrocarbons.
  • this oxidant is an oxygenated gas that is all or part of the exhaust gas of the gas turbine.
  • the gas turbine produces an exhaust gas generally comprising 13% to 16% by volume of oxygen on wet gas.
  • the exhaust gases are recovered and introduced into the burners of the SMR, ATR, POX or convective reformer for the implementation of the combustion required for the reaction. of synthesis gas production. These exhaust gases generally have a temperature of between 450 ° C. and 650 ° C.
  • a direct consequence of the implementation of the process according to the invention is that the heat produced during the combustion to allow the reaction of formation of the synthesis gas can then be used to produce steam or preheated air.
  • the synthesis gas production process produces an excess of heat compared to a process using only air for the combustion implemented in the production of syngas.
  • This excess heat can be valorized by heating any type of fluid, and in particular, water or water vapor or air by contacting within a heat exchanger of these fluids with the synthesis gas produced and / or the fumes produced by the combustion in the synthesis gas reactor and / or the fumes produced by combustion in the gas turbine.
  • a portion of the oxygen gas produced by the gas turbine may be used in a heat recovery unit.
  • the gas turbine produces an amount of oxygen gas greater than that required for combustion to allow the formation reaction of the synthesis gas.
  • the excess of oxygenated gas can then be used as an oxidant in the combustion implemented by a heat recovery unit.
  • the heat recovery unit may be the combustion gas heat recovery zone of the synthesis gas production device. This zone is present at all synthesis gas production sites and makes it possible to recover the heat of the exhaust gases produced by the combustion which allows the formation reaction of the synthesis gas.
  • the combustion implemented within this zone is that of the hydrocarbons used in the production of the synthesis gas and the oxygen gas produced by the gas turbine.
  • the heat recovery unit may also be a steam generating unit (so-called "Heat Recovery Steam Generator” or HRSG).
  • HRSG Heat Recovery Steam Generator
  • the steam produced can be used to create electricity by means of a steam turbine, or it can be used for an industrial process using steam (it is then an exported product of the site).
  • the heat recovery unit can also be an air preheater (so called "Air Preheater”).
  • the compressed air by the compressor of the gas turbine may be heated in an exchanger incorporated in the convective zone of the equipment for producing the synthesis gas.
  • the flow rate of the turbine exhaust gas introduced into the burners of the synthesis gas production unit is controlled.
  • This control can be done by at least one control means placed on the device for distributing the exhaust gas from the turbine to the combustion device: it can be a valve or a shutter with variable closure placed on the distribution duct of the this gas, or it may be an exhaust fan placed at the outlet of the exhaust gas of the synthesis gas production unit.
  • This exhaust fan creates a vacuum within the combustion furnace of the synthesis gas production unit indirectly inducing a suction of the turbine exhaust gas in the burners of the synthesis gas production unit.
  • the flow rate of the exhaust gas introduced into the combustion device is controlled so that the oxygen concentration downstream of the combustion chamber of the synthesis gas production unit is between 2 and 3. % by volume of dry gas and / or that the pressure within the furnace of the synthesis gas production unit is between 5 mm and -15 mm of water.
  • a pressure and / or oxygen concentration sensor is generally placed downstream of the combustion chamber of the synthesis gas production unit so as to measure this concentration and this pressure. This sensor is connected to the means (s) for controlling the flow of the exhaust gas to be introduced into the retro-feedback combustion device so as to control the introduction of the exhaust gas from the turbine to this concentration and / or this pressure.
  • the invention advantageously uses this property to ensure the introduction of the gas turbine exhaust gases into the burners.
  • the combustion chamber of the synthesis gas production unit these are easily aspirated; no compression means are needed to introduce them into the burners.
  • the oxygenated gas used in the combustion chamber may be atmospheric air.
  • This air is usually introduced by means of a fan blowing ("forced draft fan" in English). Prior to its introduction into the reactor, this air is preferably heated to the temperature of the oxygen gas leaving the gas turbine, which is of the order of 450 0 C to 650 ° C, for example by means of burners.
  • the secondary oxygenated gas may also be oxygen under pressure from an air separation unit ("Air Separation Unit" (ASU) in English), which amounts to implementing an oxy combustion. This oxygen can also be introduced into the secondary reformer of the synthesis gas production device.
  • ASU Air Separation Unit
  • the method also provides that:
  • atmospheric air is introduced into the heat recovery zone of the combustion gas and / or into a steam production unit.
  • the atmospheric air is heated before being introduced into the combustion chamber of the synthesis gas production unit, into the heat recovery zone of the combustion gas and / or into a production unit of the combustion gas. steam.
  • Atmospheric air is usually heated by means of a burner.
  • the atmospheric air introduced into the heat recovery zone of the combustion gas and / or into a steam generating unit can be heated by means of a burner fed by at least a portion of the exhaust gas produced by the device. of synthesis gas production. The recirculation of this exhaust gas increases the production of steam while reducing the partial pressure of NO x .
  • the invention then relates to an oxidizer supply device of the combustion device of a synthesis gas production unit by the exhaust gas produced by a gas turbine for carrying out the controlled feed method described. previously.
  • This device consists of at least two ducts:
  • the first conduit comprising: an opening cooperating with the gas turbine and allowing the introduction of the exhaust gas into said first duct,
  • the second conduit comprising: . an opening cooperating with the first duct and allowing the introduction of the exhaust gas into said second duct,
  • an opening for introducing the secondary oxygen gas into said second conduit an opening control means for introducing the secondary oxygenated gas into the second conduit, allowing either opening or closing of the opening
  • an opening allowing the evacuation of the oxygenated gas present in the second duct towards the combustion chamber of the synthesis gas production device, means for regulating the flow of exhaust gas.
  • One of the means of controlling the opening for introducing the secondary oxygenated gas is a hatch.
  • the hatch makes it possible to open or close the said opening: it is open to introduce the secondary oxygenated gas into the duct and it is closed to prevent the introduction of the secondary oxygenated gas into the duct.
  • Another means of controlling the opening for the introduction of secondary oxygen gas is an air blower ("air blowers").
  • the means of regulating the flow of exhaust gas in the second conduit is generally composed of flaps ("inlet guide born” or “louvers” in English).
  • the regulation can go as far as the total stopping of the exhaust flow of the turbine.
  • the means for regulating the exhaust gas flow rate of the gas turbine (3) in the second duct is slaved to a pressure sensor and / or oxygen concentration located downstream of the combustion chamber of the synthesis gas production unit.
  • the invention also relates to a variant of the preceding device for the distribution of the exhaust gas of the turbine and a secondary oxygen gas in the combustion device of the synthesis gas production unit and furthermore in the zone of heat recovery from the flue gas and / or to a steam generating unit.
  • the device comprises three ducts and: the first duct comprises another opening cooperating with the third duct and allowing the evacuation of the gas present in the first duct towards the third duct; the third duct comprises:
  • an opening allowing the introduction of the secondary oxygenated gas into said second conduit
  • an opening control means for introducing the secondary oxygenated gas into the third duct, allowing either opening or closing of the opening
  • an opening allowing the evacuation of the oxygenated gas present in the third duct to the heat recovery zone of the combustion gas and / or to the steam production unit.
  • This device is adapted to the implementation of the method for controlling the introduction, into the combustion chambers of a device for producing synthesis gas, of the oxygen gas required for combustion to enable the formation reaction of the gas of previously defined synthesis. It makes it possible to choose the nature of the oxygenated gas to be introduced into the combustion chamber of the synthesis gas unit and into the boiler of the steam production unit.
  • the opening control means for introducing the oxygenated gas into the third conduit is of the same type as that described for the second conduit.
  • the third conduit may also include means for regulating the flow of the exhaust gas; this means of regulation is generally composed of shutters ("inlet guide varies" or "louvers" in English).
  • the first conduit of the variant of the device may comprise a means for sharing the exhaust gas of the gas turbine between the second conduit and the third conduit, and, preferably, this sharing means is slaved to a concentration sensor.
  • oxygen located downstream of the combustion chamber of the synthesis gas production unit.
  • the first conduit comprises an opening allowing the evacuation of the oxygenated gas present in this conduit to the atmosphere.
  • the evacuation of the gas present in the first conduit to the atmosphere is provided when the gas turbine is in partial load or failed and does not produce exhaust gas.
  • the partial or total evacuation of the gas may also be provided when the gas turbine is operating but when the synthesis gas production device is partially loaded or stopped.
  • the preceding device usually comprises burners ("duct burners" in English) placed in the second and third ducts. These burners can heat the oxygenated gases, which is particularly useful when the oxygen gas is atmospheric air or oxygen, or when it is desired to increase the steam production by heating the main oxygen gas present in the third conduit. So, the burners are generally placed in the second and third ducts downstream of the opening allowing the introduction of the secondary oxygenated gas into the ducts relative to the direction of flow of the secondary oxygen gas in the ducts.
  • the first conduit comprises an opening allowing the evacuation of the oxygenated gas present in the conduit to the atmosphere.
  • This opening which allows the evacuation of the oxygen gas present in the duct to the atmosphere, generally cooperates with a duct comprising a means for regulating the flow of exhaust gas.
  • FIG. 1 to 8 illustrate the device and the method according to the invention.
  • the numbers have the following meaning:
  • FIG. 1 is a schematic view of the synthesis gas production process according to the invention, further allowing the production of electricity, steam and preheated air.
  • the synthesis gas 1 is produced from hydrocarbons 18 in the unit 7 either by steam reforming, or by partial oxidation or gasification, or by autothermal or secondary reforming, or by convective reforming, or by reforming by heat exchange with a hydrocarbon fuel.
  • Combustion uses as oxidant an oxygenated gas 21 which is partly the exhaust gas produced by the gas turbine 3.
  • This gas turbine is fed with hydrocarbons 18 identical to those used for the gas formation reaction. of synthetic or different hydrocarbons 71, it produces electricity 38 and / or compressed air 35.
  • the heat generated by the combustion to allow the formation reaction of the synthesis gas in the combustion chamber of the unit 7 is recovered in the heat recovery zone of the combustion gas 5 which produces steam 6 and heats the compressed air 35 producing preheated air 27, the latter coming from the compressed air 35 produced by the compressor of the gas turbine 3.
  • the steam 6 comes to add to that 61 already produced by the unit 17 of recovery of the synthesis gas production device, said unit 17 being intended to recover the residual heat in the cooled synthesis gas 19.
  • Part 22 of the exhaust gas of the gas turbine 2 from the gas turbine 3 feeds the heat recovery unit 5, especially during the triggering of the synthesis gas production unit 7.
  • atmospheric air 8 is used as the oxidant in the combustion chambers of the unit 7 and / or in the heat recovery zone of the combustion gas 5.
  • This air 8 is generally preheated by means of the burners 120 and 20, fed by the fuel 18 and / or 71.
  • the exhaust gas 2 of the turbine 3 is discharged by means of the stack 40.
  • a portion 121 of the steam 12 produced by the vapor recovery unit 17 and the heat recovery zone of the combustion gas 5 can be directly exported, while another part 41 is exported after having been expanded in the steam turbine 50 to produce more electricity 39 and steam condensates 51.
  • Another portion 14 of the produced vapor 12 forms a mixture 48 with the hydrocarbons 18 prior to introduction into the unit 7.
  • an exhaust gas 37 is produced which is exhausted by the fan 29 to the exhaust stack 401.
  • the cooled synthesis gas 19 is purified in the exhaust gas elimination unit 40.
  • a portion 283 or all 280 of the CO 2 removed can be recycled to the synthesis gas production device by mixing with the hydrocarbons and the vapor 14.
  • the other portion 284 or all 280 of the CO 2 removed can be compressed and liquefied for export.
  • a portion 34 of the low CO 2 synthesis gas is used as fuel in the gas turbine 3.
  • the remainder of the low CO 2 synthesis gas 192 is purified in the purification unit 26 which adjusts the ratio.
  • the purified synthesis gas 28 can also be introduced into separation units 261 of H 2 and CO so as to produce on the one hand purified hydrogen 281 for export or compression and on the other hand purified CO 282 for export or compression.
  • the purge gas mixture from the separation units 261 is used as fuel in the combustion chamber of the synthesis gas production device.
  • an analyzer 100 measures the concentration of oxygen pressure in the downstream zone of the combustion chamber and a pressure sensor 104 measures the oxygen concentration at the outlet of the furnace 7.
  • the control means the exhaust gas flow rate of the gas turbine 103 is controlled by a feedback control 101, at the values given by the analyzer 100 and the sensor 100 and increases or decreases the flow rate of the exhaust gas 2 of the gas turbine 3 so as to maintain the pressure and the oxygen concentration of the synthesis gas production unit within normal operating limits.
  • the exhaust fan 29 of the combustion products 37 of the synthesis gas production unit is controlled by a feedback control 102, at the values given by the sensor 104 and the analyzer 100 and increases or decreases its speed. so as to influence the flow rate of the exhaust gas 2 of the gas turbine 3.
  • FIG. 2 is a schematic view of a synthesis gas production process such as that of FIG. 1, except that this method comprises a steam generating unit 13 fed with hydrocarbon fuels 42 and a part 22 of the gas of FIG. Oxygen exhaust 2 from the gas turbine 3.
  • the steam generating unit 13 is generally a boiler burning heavy or solid fuels 42 that can not be used in the gas turbine 3 or in the gas production device.
  • the steam generating unit 13 produces steam, a part 47 of which is mixed with the steam 12 produced by the steam recovery unit 17 of the synthesis gas production device, and the other part 43 is mixed with the steam 41 expanded by the turbine 50.
  • the exhaust gases 44 of the steam generating unit 13 are mixed with the combustion products 37 of the unit 7.
  • the production of synthesis gas can continue even if the gas turbine is stopped, through the use of atmospheric air. It is also possible to decouple the gas turbine from the synthesis gas production unit by means of the exhaust stack 40. For example, even if the synthesis gas production unit stops operating, the Gas turbine can still be used to produce electricity and steam.
  • FIG. 3 is a schematic view of a synthesis gas production process such as that of FIG. 1, except that this process comprises a single oxygenated gas conduit. This scheme is used when the heat required for the combustion required for the synthesis gas formation reaction is sufficiently supplied by all the oxygen gas of the gas turbine.
  • FIG. 4 is a schematic view corresponding to the method of FIG. 1 detailing the device for distributing the main oxygenated gas and the secondary oxygenated gas in the combustion chamber of the synthesis gas production device 7.
  • the three ducts 9, 91 and 92 allow to distribute the oxygenated exhaust gas 2 of the turbine
  • the opening 10 makes it possible to introduce the oxygenated gas 2 of the gas turbine 3 into the duct 9, the opening 161 and the opening 211 respectively making it possible to introduce a portion 21 of the oxygenated gas 2 into the duct 91; and a portion 22 of the oxygenated exhaust gas 2 in the conduit 92,
  • flaps 16 and 4 make it possible to regulate the flow rate of gas 21 and gas 22,
  • the opening 11 and the opening 112 make it possible, respectively, to introduce the atmospheric air 8 into the duct 91 and into the duct 92,
  • traps 111 and 113 make it possible to choose the introduction of either oxygenated gas 21 or 22 or atmospheric air 8 into their respective ducts 91 or 92,
  • the burners 120 and 20 make it possible to heat the gas flowing in the ducts 91 and 92,
  • the opening 162 makes it possible to evacuate the gas present in the duct 91 towards the combustion chamber of the synthesis gas production device 7,
  • the opening 212 makes it possible to evacuate the gas present in the conduit 92 towards the heat recovery zone of the combustion gas 5,
  • the opening 151 makes it possible to evacuate the oxygenated gas present in the duct 9 towards the atmosphere by means of the chimney 40, flaps 15 making it possible to regulate this flow.
  • the hatches 111 and 113 are put in place so as to close the openings 11 and 112: thus, the combustion chamber of the unit 7 and the recovery zone are fed. of heat of the combustion gas 5 in exhaust gas from the turbine 3.
  • flaps 4 and 16 it is possible to distribute at will more or less exhaust gas from the turbine 3 to the duct 91 and the combustion chamber of the unit 7, or to the conduit 92 and the heat recovery zone of the combustion gas 5.
  • the flap 16 is slaved to the sensor 100 for measuring the pressure and / or the oxygen concentration of the production unit. synthesis gas by reactive control: it can be more or less open depending on this control so as to regulate the flow of the exhaust gas 2 of the turbine 3 flowing in the duct 91.
  • the hatches 111 and 113 are placed in such a way as to open the openings 11 and 112 and thus feed the combustion chamber 7 and the heat recovery zone of the combustion gas 5 with air atmospheric (secondary oxygenated gas).
  • the burners 20 and 120 can preheat the atmospheric air.
  • the flaps 4 and 16 are closed, the flaps 15 are adjusted so as to evacuate the gas from the turbine to the atmosphere through the chimney 40.
  • the hatches 111 and 113 are put in place so as to open the openings 11 and 112 and thus supply the combustion chamber 7 and the heat recovery zone of the combustion gas 5 with atmospheric air (secondary oxygenated gas).
  • FIG. 5 is a schematic view corresponding to the method of FIG. 2 detailing the device for distributing the exhaust gas 2 of the turbine 3 and the secondary oxygenated gas in the combustion chamber of the synthesis gas production device 7.
  • This diagram differs from that of Figure 4 in that it comprises a steam generating unit 13 fueled 42 and oxidant by a portion 22 of the exhaust gas 2 from the gas turbine 3.
  • the conduit 92 can supply oxygen gas to this steam generating unit 13 rather than providing oxygen gas to the heat recovery zone of the combustion gas 5.
  • FIG. 6 is a schematic view corresponding to the method of FIG. 3 detailing the device for distributing the exhaust gas 2 of the turbine 3 and the secondary oxygenated gas in the combustion chamber of the synthesis gas production device 7.
  • This diagram differs from that of Figures 4 and 5 in that it does not include conduit 92 for discharging the oxygenated gas to the heat recovery zone of the combustion gas 5 or to a steam generating unit 13.
  • FIG. 7 is a variant of the embodiment of FIG. 6 in which the opening 11, which makes it possible to introduce secondary oxygenated gas into the duct 91, is connected to a conduit 94 for the introduction of pure oxygen 174 from a ASU 172 in the conduit 91.
  • L 1 ASU 172 also supplies pure 173 to secondary reformer 171 and oxygen 175 to the oxygen export.
  • FIG. 8 is a variant of the embodiment of FIG. 4 in which part of the combustion products 30 of the synthesis gas production unit feeds the burner 20 of the duct 92 by means of a duct 300. shutters 183 can modulate the flow rate of these products of combustion 300.
  • the recirculation of the products of combustion makes it possible to reduce the temperature of the flame and to limit the production of NO x nitrogen oxides.
  • the recirculation rate of the products of combustion can vary between 15 and 20%. A reduction of approximately 40 to 55% in NO x emissions was observed.
  • the temporary or continuous use of the oxygen gas of the gas turbine in the synthesis gas production device allows the use of a single recovery section of the gas turbine. heat in said synthesis gas production device, as in Figures 1, 3, 4, 6, 7 and 8, while it is usually necessary to use two.
  • the amount of fuel used by the synthesis gas production device is reduced compared to the case where the synthesis gas production unit and the cogeneration unit are independent.
  • the amount of steam produced can be increased during use of the device according to the invention comprising three ducts by starting the post-combustion in the burners present in the third duct.
  • the invention makes it possible to regulate the flow rate, the temperature and the steam production pressure for export through the steam turbine.
  • the fuel and the hydrocarbon raw material and fuel used for the co-generation of electricity, steam and synthesis gas are converted with an efficiency of 80% to 90%; this conversion rate can not be achieved by an independent power generation unit.
  • the hot oxygen gas from the gas turbine helps reduce the fuel consumption required by the combustion chamber of the syngas production unit.
  • the flue gases are therefore more available to produce the extra steam that can pass through a steam turbine to produce more electricity.
  • This invention also produces preheated air which can be used in the regeneration of catalysts in certain industrial processes. In short, a strong increase in thermal and electrical efficiency is achieved by a growth in steam and electricity production divided by a decrease in gas consumption as fuel.
  • the fact that the oxygen gas from the gas turbine is hot reduces the fuel consumption in the combustion chamber of the synthesis gas production device.
  • the heat recovery zone of the flue gas can also replace a steam generating unit of a cogeneration unit. Once the heat of the oxygen gas and the flue gas is recovered, the cooled exhaust gas is sucked in by a fan and exhausted through a chimney.
  • the steam obtained in the steam recovery unit of the synthesis gas production device 17, the heat recovery zone of the combustion gas 5 and the steam production unit 13 can be introduced either into a steam turbine backpressure that produces steam and electricity, either in a steam condensing turbine producing hot water and electricity.
  • the generator of the gas turbine produces electricity that can be used by auxiliary equipment, for example fans, compressors and pumps that are in the integrated plant.
  • auxiliary equipment for example fans, compressors and pumps that are in the integrated plant.
  • the following advantages are obtained: improved efficiency of the heat recovery unit (due to the absence of nitrogen), reduction of NO x emissions, reduction of the amount of gas used as fuel
  • the invention brings flexibility to the industrial site and a range of products greater by the production of synthesis gas, CO, hydrogen, oxogas (mixture of H 2 and CO ratio), steam, hot air and electricity.
  • the synthesis gas production device may be equipped with exhaust gas treatment systems such as a selective catalytic NOx (Selective Catalytic Removal of NO x ) unit to control the content of the synthesis gas.
  • NO x Selective Catalytic Removal of NO x
  • flue gas or an exhaust gas cleaning device to remove carbon dioxide, particulates and sulfur oxides.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de d'alimentation en comburant du dispositif de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse par le gaz d'échappement produit par une turbine à gaz. Le débit du gaz d'échappement introduit dans le dispositif de combustion est contrôlé en fonction de la valeur de la concentration en oxygène et/ou de la pression au sein du four de l'unité de production de gaz de synthèse. L'invention concerne également un dispositif d'alimentation en comburant du dispositif de production de gaz de synthèse par le gaz d'échappement d'une turbine à gaz.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION DE GAZ DE SYNTHESE A L'AIDE D'UN GAZ OXYGENE PRODUIT PAR AU MOINS UNE TURBINE AGAZ
La présente invention concerne un procédé de production de gaz de synthèse et d'électricité dans lequel le comburant nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse est constitué d'un gaz oxygéné produit par au moins une turbine à gaz.
L'invention touche différents secteurs d'activité, tels que la chimie lourde, les industries pétrochimiques, l'industrie de raffinage, l'industrie énergétique, toutes concernées par la protection environnementale. Toutes ces industries peuvent mettre en œuvre la conversion d'hydrocarbures lourds en produits chimiques valorisâmes au moyen de la production d'un gaz de synthèse. Un gaz de synthèse est un mélange gazeux qui contient au moins CO, H2, CH4, CO2, N2, Ar et H2O obtenu par le réformage à la vapeur ("steam méthane reforming" ou SMR en anglais, par l'oxydation partielle d'hydrocarbures ("partial oxydation" ou POX en anglais), par réformage autothermique ("autothermal reforming" ou ATR en anglais), par réformage convectif ("convective reforming" en anglais), par réformage secondaire ("secondary reforming" en anglais) ou par réformage par l'échange de chaleur ("heat exchange reforming" en anglais). Tous ces procédés mettent en œuvre une réaction de combustion afin d'apporter la chaleur nécessaire à la réaction de formation du gaz de synthèse.
La présente invention concerne les sites de production de gaz de synthèse dans lesquels au moins une turbine à gaz est également présente. Selon l'invention, on entend par "turbine à gaz" (TAG), un dispositif comprenant au moins un compresseur d'air, une chambre de combustion et une turbine de détente. Le site peut comprendre plusieurs turbines à gaz. Dans la turbine à gaz, l'air comprimé produit est introduit avec au moins un combustible dans la chambre de combustion de la turbine et les gaz de combustion produits passent à travers la turbine de détente pour produire de l'électricité au moyen d'un alternateur. Généralement, ces gaz passent ensuite à travers une chaudière de récupération de chaleur pour produire de la vapeur. Le combustible de la turbine à gaz est habituellement du gaz naturel, mais peut comprendre de l'hydrogène ou du gaz de synthèse provenant de l'unité de production du gaz de synthèse ou un combustible liquide hydrocarboné.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé de production de gaz de synthèse présentant une efficacité énergétique améliorée par combinaison du procédé de production du gaz de synthèse et d'une unité de cogénération. Dans ce but, l'invention concerne un procédé d'alimentation en comburant du dispositif de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse par le gaz d'échappement produit par une turbine à gaz, dans lequel le débit du gaz d'échappement introduit dans le dispositif de combustion est contrôlé en fonction de la valeur de la concentration en oxygène et/ou de la valeur de la pression au sein du four de l'unité de production de gaz de synthèse.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Des formes et des modes de réalisation de l'invention sont donnés à titre d'exemples non limitatifs, illustrés par les dessins joints dans lesquels :
- les figures 1 à 3 sont des vues schématiques d'au moins trois variantes du procédé de production de gaz de synthèse selon l'invention produisant en outre de l'électricité et de l'air préchauffé,
- les figures 4 à 8 sont des schémas du dispositif de distribution d'un gaz d'échappement de turbine et d'un gaz oxygéné secondaire dans un réacteur de gaz de synthèse et dans l'unité de récupération de chaleur liée avec l'unité de production de gaz de synthèse.
L'invention concerne donc un procédé de production de gaz de synthèse sur un site industriel comprenant au moins une turbine à gaz dans lequel le gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est valorisé dans la réaction de combustion mise en œuvre pour la production de gaz de synthèse : selon l'invention, le comburant nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse est constitué d'un gaz oxygéné produit par au moins une turbine à gaz. Les équipements permettant d'obtenir le gaz de synthèse brut peuvent être un réacteur de réformage à la vapeur (SMR), suivi par un réacteur de réformage secondaire, ou un réacteur d'oxydation partielle (POX) utilisant des hydrocarbures pour produire le gaz de synthèse brut. Le gaz de synthèse brut comprend de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone et d'autres composés. Il peut également s'agir d'un réacteur pour la mise en œuvre d'un procédé ATR ou d'un procédé de réformage par convection. Ces réactions de production de gaz de synthèse s'effectuent à haute température, ce qui nécessite une combustion au sein d'un réacteur pour la mise en œuvre et le maintien de la réaction de synthèse. Cette combustion nécessite la présence d'un comburant, qui est selon l'invention, au moins en partie issu de la turbine à gaz. Cette combustion est mise en œuvre au moyen de brûleurs alimentés par le gaz d'échappement de la turbine et par un comburant. Ce dernier est habituellement du gaz naturel, mais il peut également s'agir d'un liquide ou solide contenant des hydrocarbures.
Ainsi, ce comburant est un gaz oxygéné qui est tout ou partie du gaz d'échappement de la turbine à gaz. En effet, la turbine à gaz produit un gaz d'échappement comprenant généralement 13 % à 16 % en volume d'oxygène sur gaz humide. Selon l'invention, les gaz d'échappement sont récupérés et introduits dans les brûleurs du SMR, ATR, POX ou du réformeur par convection pour la mise en œuvre de la combustion nécessaire à la réaction de production du gaz de synthèse. Ces gaz d'échappement présentent généralement une température comprise entre 4500C et 6500C.
Une conséquence directe de la mise en œuvre du procédé selon l'invention est que la chaleur produite lors de la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse peut ensuite être utilisée pour produire de la vapeur ou de l'air préchauffé. En effet, dans certains cas, du fait de l'utilisation du gaz oxygéné de la turbine à gaz, le procédé de production de gaz de synthèse produit un excédent de chaleur par rapport à un procédé n'utilisant que de l'air pour la combustion mise en œuvre dans la production de gaz de synthèse. Cet excédent de chaleur peut être valorisé en chauffant tout type de fluide, et notamment, de l'eau ou de la vapeur d'eau ou de l'air par mise en contact au sein d'un échangeur de chaleur de ces derniers fluides avec le gaz de synthèse produit et/ou les fumées produites par la combustion au sein de réacteur de gaz de synthèse et/ou encore les fumées produites par la combustion dans la turbine à gaz.
Selon une variante de l'invention, une partie du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz peut être utilisée dans une unité de récupération de chaleur. Cette variante s'applique lorsque la turbine à gaz produit une quantité de gaz oxygéné supérieure à celle nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse. L'excédent de gaz oxygéné peut alors être utilisé comme comburant dans la combustion mise en œuvre par une unité de récupération de chaleur. Selon l'invention, l'unité de récupération de chaleur peut être la zone de récupération de chaleur de gaz de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. Cette zone est présente sur tous les sites de production de gaz de synthèse et permet de récupérer la chaleur des gaz d'échappement produits par la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse. La combustion mise en œuvre au sein de cette zone est celle des hydrocarbures utilisés dans la production du gaz de synthèse et du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz. Cette zone est dénommée zone de récupération de chaleur du gaz de combustion dans la présente invention. L'unité de récupération de chaleur peut également être une unité de production de vapeur (on parle alors en anglais de "Heat Recovery Steam Generator" ou HRSG). Dans ce cas, la vapeur produite peut être utilisée pour créer de l'électricité au moyen d'une turbine à vapeur, ou encore, elle peut être utilisée pour un procédé industriel mettant en œuvre de la vapeur (c'est alors un produit exporté du site). L'unité de récupération de chaleur peut également être un préchauffeur d'air (on parle alors en anglais de "Air Preheater").
Selon un mode particulier de l'invention, l'air comprimé par le compresseur de la turbine à gaz peut être chauffé dans un échangeur incorporé dans la zone convective de l'équipement permettant la production du gaz de synthèse.
Selon l'invention, le débit du gaz d'échappement de la turbine introduit dans les brûleurs de l'unité de production de gaz de synthèse est contrôlé. Ce contrôle peut se faire par au moins un moyen de contrôle placé sur le dispositif de distribution du gaz d'échappement de la turbine au dispositif de combustion : il peut s'agir d'une vanne ou d'un volet à fermeture variable placé sur le conduit de distribution de ce gaz, ou il peut s'agir d'un ventilateur d'extraction placé à la sortie des gaz d'échappement de l'unité de production de gaz de synthèse. Ce ventilateur d'extraction crée une dépression au sein du four de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse induisant indirectement une aspiration du gaz d'échappement de la turbine dans les brûleurs de l'unité de production de gaz de synthèse.
De préférence, le débit du gaz d'échappement introduit dans le dispositif de combustion est contrôlé de manière à ce que la concentration en oxygène en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse soit comprise entre 2 et 3 % en volume de gaz sec et/ou que la pression au sein du four de l'unité de production de gaz de synthèse soit comprise entre 5 mm et - 15 mm d'eau. En pratique, un capteur de pression et/ou de concentration en oxygène est généralement placé en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse de manière à mesurer cette concentration et cette pression. Ce capteur est relié au(x) moyen(s) de contrôle du débit du gaz d'échappement à introduire dans le dispositif de combustion par boucle rétroactive de manière à asservir l'introduction du gaz d'échappement de la turbine à cette concentration et/ou cette pression. La chambre de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse étant souvent en dépression par rapport à la pression atmosphérique, l'invention utilise avantageusement cette propriété pour assurer l'introduction des gaz d'échappement de la turbine à gaz dans les brûleurs de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse : ceux-ci sont facilement aspirés ; aucun moyen de compression n'est nécessaire pour les introduire dans les brûleurs.
Selon l'invention, on peut également contrôler l'introduction, dans la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse, du gaz oxygéné nécessaire à la combustion qui permet la réaction de formation du gaz de synthèse. Ainsi :
- lorsque la turbine à gaz fonctionne, au moins une partie du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse selon le procédé de l'invention,
- lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, de l'air atmosphérique ou de l'oxygène est introduit dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. On peut ainsi maintenir l'introduction d'un gaz oxygéné dans la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, par exemple en cas d'arrêt. Dans ce cas, le gaz oxygéné utilisé dans la chambre de combustion peut être de l'air atmosphérique. Cet air est généralement introduit au moyen d'un ventilateur de soufflage ("forced draft fan" en anglais). Préalablement à son introduction dans le réacteur, cet air est préférablement chauffé à la température du gaz oxygéné sortant de la turbine à gaz, qui est de l'ordre de 4500C à 650 °C, par exemple au moyen de brûleurs. Le gaz oxygéné secondaire peut être également de l'oxygène sous pression provenant d'une unité de séparation d'air ("Air Séparation Unit" (ASU) en anglais), ce qui revient à mettre en œuvre une oxy combustion. Cet oxygène peut être également introduit dans le réformeur secondaire du dispositif de production de gaz de synthèse.
Selon un mode particulier, le procédé prévoit également que :
- lorsque la turbine à gaz fonctionne, au moins une partie du gaz oxygéné produit par la turbine à gaz est introduit dans une zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur,
- lorsque la turbine à gaz ne fonctionne pas, de l'air atmosphérique est introduit dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur. En général, l'air atmosphérique est chauffé avant d'être introduit dans la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse, dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur. L'air atmosphérique est généralement chauffé au moyen d'un brûleur. L'air atmosphérique introduit dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou dans une unité de production de vapeur peut être chauffé au moyen d'un brûleur alimenté par au moins une partie du gaz d'échappement produit par le dispositif de production de gaz de synthèse. La recirculation de ce gaz d'échappement permet d'augmenter la production de vapeur tout en réduisant la pression partielle de NOx.
L'invention concerne ensuite un dispositif d'alimentation en comburant du dispositif de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse par le gaz d'échappement produit par une turbine à gaz pour la mise en oeuvre du procédé d'alimentation contrôlé décrit précédemment. Ce dispositif est constitué d'au moins deux conduits :
- le premier conduit comprenant : . une ouverture coopérant avec la turbine à gaz et permettant l'introduction du gaz d'échappement dans ledit premier conduit,
. une ouverture coopérant avec le deuxième conduit et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit vers le deuxième conduit,
. une ouverture permettant l'évacuation du gaz présent dans ledit conduit vers l'atmosphère,
- le deuxième conduit comprenant : . une ouverture coopérant avec le premier conduit et permettant l'introduction du gaz d'échappement dans ledit deuxième conduit,
. une ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans ledit deuxième conduit, . un moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le second conduit, permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture,
. une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le deuxième conduit vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse, . un moyen de régulation du débit de gaz d'échappement.
Un des moyens de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire est une trappe. La trappe permet d'ouvrir ou fermer ladite ouverture : elle est ouverte pour introduire le gaz oxygéné secondaire dans le conduit et elle est fermée pour empêcher l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le conduit. Un autre moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire est un soufflant d'air ("air blowers" en anglais).
Le moyen de régulation du débit de gaz d'échappement dans le deuxième conduit est généralement composé de volets ("inlet guide va nés" ou « louvers » en anglais). La régulation peut aller jusqu'à l'arrêt total du débit de gaz d'échappement de la turbine. Selon un mode préférentiel de l'invention, le moyen de régulation du débit de gaz d'échappement de la turbine à gaz (3) dans le deuxième conduit est asservi à un capteur de pression et/ou de concentration en oxygène situé en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse.
L'invention concerne également une variante du dispositif précédent permettant la distribution du gaz d'échappement de la turbine et d'un gaz oxygéné secondaire dans le dispositif de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse et en outre dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou vers une unité de production de vapeur. Selon cette variante, le dispositif comprend trois conduits et : - le premier conduit comprend une autre ouverture coopérant avec le troisième conduit et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit vers le troisième conduit, - le troisième conduit comprend :
. une ouverture coopérant avec le premier conduit et permettant l'introduction du gaz oxygéné principal dans ledit troisième conduit,
. une ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans ledit deuxième conduit, . un moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans le troisième conduit, permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture,
. une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le troisième conduit vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion et/ou vers l'unité de production de vapeur.
Ce dispositif est adapté à la mise en œuvre du procédé de contrôle de l'introduction, dans les chambres de combustion d'un dispositif de production de gaz de synthèse, du gaz oxygéné nécessaire à la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse précédemment défini. Il permet de choisir la nature du gaz oxygéné qui doit être introduit dans la chambre de combustion de l'unité de gaz de synthèse et dans la chaudière de l'unité de production de vapeur. Le moyen de contrôle de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné dans le troisième conduit est de même type que celui décrit pour le deuxième conduit. Le troisième conduit peut également comprendre un moyen de régulation du débit du gaz d'échappement ; ce moyen de régulation est généralement composé de volets ("inlet guide varies" ou « louvers » en anglais).
Le premier conduit de la variante du dispositif peut comprendre un moyen de partage du gaz d'échappement de la turbine à gaz entre le deuxième conduit et le troisième conduit, et, de préférence, ce moyen de partage est asservi à un capteur de concentration en oxygène situé en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse. Ainsi, si la concentration en oxygène en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse est trop faible, il est possible d'introduire plus de gaz d'échappement oxygéné de la turbine à gaz dans le deuxième conduit menant au dispositif de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse et moins dans le troisième conduit.
Le premier conduit comprend une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans ce conduit vers l'atmosphère. Selon l'invention, l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit vers l'atmosphère est prévue lorsque la turbine à gaz est en charge partielle ou défaillante et ne produit pas de gaz d'échappement. L'évacuation partielle ou totale du gaz peut également être prévue lorsque la turbine à gaz fonctionne mais lorsque le dispositif de production de gaz de synthèse est en charge partielle ou arrêté.
Le dispositif précédent comprend habituellement des brûleurs ("duct burners" en anglais) placés dans le deuxième et le troisième conduits. Ces brûleurs permettent de chauffer les gaz oxygénés, ce qui est notamment utile lorsque le gaz oxygéné est de l'air atmosphérique ou de l'oxygène, ou lorsque l'on veut augmenter la production de vapeur en chauffant le gaz oxygéné principal présent dans le troisième conduit. Ainsi, les brûleurs sont généralement placés dans les deuxièmes et troisièmes conduits en aval de l'ouverture permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire dans les conduits par rapport au sens de circulation du gaz oxygéné secondaire dans les conduits.
De préférence, le premier conduit comprend une ouverture permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le conduit vers l'atmosphère. Cette l'ouverture, qui permet l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le conduit vers l'atmosphère, coopère généralement avec un conduit comprenant un moyen de régulation du débit de gaz d'échappement.
Les figures 1 à 8 illustrent le dispositif et le procédé selon l'invention. Dans ces figures, les numéros ont la signification suivante :
I Gaz de synthèse brut
2, Gaz d'échappement de la turbine à gaz
21 , 22 Gaz oxygéné
3 Turbine à gaz
4 Volets
5 Zone de récupération de chaleur du gaz de combustion
6 Vapeur issue du dispositif de production de gaz de synthèse
7 Dispositif de production de gaz de synthèse
8 Air atmosphérique
9, 91 , 92, 93, 94 Conduits de gaz oxygéné
10 Ouverture du premier conduit 9 permettant l'introduction du gaz oxygéné principal
I 1 Ouverture du deuxième conduit 91 permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire
I 11 Trappe ou soufflant
112 Ouverture du troisième conduit 92 permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire
113 Trappe ou soufflant 12, 121 Vapeur
120 Brûleurs
13 Unité de production de vapeur
14 Vapeur recyclée à l'unité de production de gaz de synthèse
15 Volets
151 Ouverture du conduit permettant l'évacuation du gaz oxygéné principal vers l'atmosphère Volets Ouverture du premier conduit 9 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers le deuxième conduit 91 Ouverture du second conduit 91 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse Unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse Réformeur secondaire Unité de séparation d'air (ASU) Oxygène purifié vers le réformeur secondaire Oxygène purifié en pression pour la combustion Oxygène purifié en forme gazeuse ou liquide destinée à l'exportation Matière première hydrocarbonée et/ou combustible Volets Gaz de synthèse refroidi Unité d'élimination de dioxyde de carbone Gaz de synthèse à faible teneur en CO2 Brûleurs Ouverture du premier conduit 9 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers le troisième conduit 92 Ouverture du troisième conduit 92 permettant l'évacuation du gaz oxygéné vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion Eau CO2 éliminé Préchauffeur de chaudière Eau chaude Unité de purification du gaz de synthèse (par exemple membrane produisant de l'oxogaz, avec un mélange H2/CO compris entre 1 ,1 et 2,1) Unités de séparation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone Air chaud exporté Gaz de synthèse purifié CO2 éliminé Hydrogène purifié CO purifié CO2 éliminé pour recyclage vers le dispositif de production du gaz de synthèse
284 CO2 éliminé pour la compression et la liquéfaction
285 Mélange de gaz de purge utilisé comme combustible dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse
286 Gaz de synthèse exporté (par exemple, oxogaz)
29 Ventilateur d'extraction
30 Produits de combustion
300 Conduit de recyclage de gaz d'échappement
31 Unité de prétraitement des hydrocarbures
32 Contrôleur de la température de l'air
33 Mélange de gaz de purge de l'unité de purification
34 Gaz de synthèse utilisé comme combustible dans la turbine à gaz
35 Air comprimé
36 Préchauffeur d'air
37 Produits de combustion
38 Alternateur
39 Alternateur
40, 401 Cheminée d'évacuation
41 Vapeur issu de la turbine à vapeur
42 Combustibles hydrocarbonés solides ou liquides
43 Vapeur exportée du site
44 Gaz d'échappement 45, 46 Volets
47 Vapeur pour la turbine à vapeur
48 Mélange de combustibles pour la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse
49 Mélange d'hydrocarbures prétraités et de vapeur
50 Turbine à vapeur
51 Condensats de vapeur issu de la turbine à vapeur
61 Vapeur issue de l'unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse 71 Matière première hydrocarbonée et/ou combustible autre que celle utilisée pour la production de gaz de synthèse
81 , 82 Air atmosphérique comprimé par un soufflant
100 Analyseur de concentration en oxygène
101 , 102 Contrôle rétroactif 103 Moyen de contrôle du débit de gaz d'échappement de la turbine à gaz
104 Capteur de pression
La figure 1 est une vue schématique du procédé de production de gaz de synthèse selon l'invention, permettant en outre la production d'électricité, de vapeur et d'air préchauffé. Le gaz de synthèse 1 est produit à partir d'hydrocarbures 18 au sein de l'unité 7 soit par réformage à la vapeur, soit par oxydation partielle ou gazification, soit par réformage autothermique ou secondaire, soit par réformage convectif, soit par réformage par échange de chaleur avec un combustible hydrocarboné. La combustion met en œuvre comme comburant un gaz oxygéné 21 qui est en partie le gaz d'échappement 2 produit par la turbine à gaz 3. Cette turbine à gaz est alimentée par des hydrocarbures 18 identiques à ceux utilisé pour la réaction de formation de gaz de synthèse ou d'hydrocarbures différents 71, elle produit de l'électricité 38 et/ou de l'air comprimé 35.
La chaleur dégagée par la combustion pour permettre la réaction de formation du gaz de synthèse dans la chambre de combustion de l'unité 7 est récupérée dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 qui produit de la vapeur 6 et chauffe l'air comprimé 35 produisant de l'air préchauffé 27, ce dernier provenant de l'air comprimé 35 produit par le compresseur de la turbine à gaz 3. La vapeur 6 vient s'additionner à celle 61 déjà produite par l'unité 17 de récupération de vapeur du dispositif de production du gaz de synthèse, ladite unité 17 étant destinée à récupérer la chaleur résiduelle dans le gaz de synthèse refroidi 19. Une partie 22 de du gaz d'échappement de la turbine à gaz 2 provenant de la turbine à gaz 3 alimente l'unité de récupération de chaleur 5, tout particulièrement pendant le déclenchement de l'unité de production de gaz de synthèse 7. Si la turbine à gaz 3 est défaillante et ne produit pas de gaz d'échappement oxygéné 2, on utilise de l'air atmosphérique 8 comme comburant dans les chambres de combustion de l'unité 7 et/ou dans la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5. Cet air 8 est généralement préchauffé au moyen des brûleurs 120 et 20, alimentés par les combustibles 18 et/ou 71. Dans ce cas, le gaz d'échappement 2 de la turbine 3 est évacué au moyen de la cheminée 40. Dans ce schéma, une partie 121 de la vapeur 12 produite par l'unité 17 de récupération de vapeur et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 peut être directement exportée, tandis qu'une autre partie 41 est exportée après avoir été détendue dans la turbine à vapeur 50 pour produire plus d'électricité 39 et des condensats de vapeur 51. Une autre partie 14 de la vapeur 12 produite forme un mélange 48 avec les hydrocarbures 18 avant leur introduction dans l'unité 7.
Comme dans toute unité de production de gaz de synthèse, un gaz d'échappement 37 est produit qui est extrait par le ventilateur 29 vers la cheminée d'évacuation 401. Le gaz de synthèse refroidi 19 est purifié dans l'unité d'élimination de dioxyde de carbone 191 pour produire un gaz de synthèse 192 avec environ 50 ppm de dioxyde de carbone. Une partie 283 ou la totalité 280 du CO2 éliminé peut être recyclé vers le dispositif de production de gaz de synthèse par mélange avec les hydrocarbures et la vapeur 14. L'autre partie 284 ou la totalité 280 du CO2 éliminé peut être comprimé et liquéfié pour l'exportation. Une partie 34 du gaz de synthèse à faible teneur en CO2 est utilisé comme combustible dans la turbine à gaz 3. Le reste du gaz de synthèse à faible teneur en CO2 192 est purifié dans l'unité de purification 26 qui ajuste la ratio H2/CO pour produire un gaz de synthèse purifié 28 dont une partie 286 est exporté. Les produits 33 éliminés du gaz de synthèse 192 à faible teneur en CO2 peuvent être recyclés dans l'unité de production de gaz de synthèse 7. Le gaz de synthèse 28 purifié peut également être introduit dans des unités de séparation 261 de H2 et CO de manière à produire d'une part de l'hydrogène 281 purifié pour l'export ou la compression et d'autre part du CO 282 purifié pour l'export ou la compression. Le mélange de gaz de purge issu des unités de séparation 261 est utilisé comme combustible dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. Pour la mise en œuvre de l'invention, un analyseur 100 mesure la concentration en oxygène pression dans la zone aval de la chambre de combustion et un capteur de pression 104 mesure la concentration en oxygène à la sortie du four 7. Le moyen de contrôle du débit de gaz d'échappement de la turbine à gaz 103 est asservi par un contrôle rétroactif 101 , aux valeurs données par l'analyseur 100 et le capteur 100 et augmente ou diminue le débit du gaz d'échappement 2 de la turbine à gaz 3 de manière à maintenir la pression et la concentration en oxygène de l'unité de production de gaz de synthèse dans les limites de fonctionnement normal. De même, le ventilateur d'extraction 29 des produits de combustion 37 de l'unité de production de gaz de synthèse est asservi par un contrôle rétroactif 102, aux valeurs données par le capteur 104 et l'analyseur 100 et augmente ou diminue sa vitesse de manière à influencer le débit du gaz d'échappement 2 de la turbine à gaz 3.
La figure 2 est une vue schématique d'un procédé de production de gaz de synthèse comme celui de la figure 1, excepté que ce procédé comprend une unité de production de vapeur 13 alimentée en combustibles hydrocarbonés 42 et par une partie 22 du gaz d'échappement oxygéné 2 issu de la turbine à gaz 3. L'unité de production de vapeur 13 est généralement une chaudière brûlant des combustibles lourds ou solides 42 qui ne peuvent être utilisés dans la turbine à gaz 3 ou dans le dispositif de production de gaz de synthèse 7. L'unité de production de vapeur 13 produit de la vapeur dont une partie 47 est mélangée à la vapeur 12 produite par l'unité 17 de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse, et l'autre partie 43 est mélangée à la vapeur 41 détendue par la turbine 50. Les gaz d'échappement 44 de l'unité de production de vapeur 13 sont mélangés aux produits de combustion 37 de l'unité 7. Pour les deux configurations des figures 1 et 2, la production de gaz de synthèse peut continuer même si la turbine à gaz est à l'arrêt, grâce à l'utilisation d'air atmosphérique. Il est également possible de découpler la turbine à gaz de l'unité de production de gaz de synthèse grâce à la cheminée d'évacuation 40. Par exemple, même si l'unité de production de gaz de synthèse s'arrête de fonctionner, la turbine à gaz peut encore être utilisée pour produire électricité et vapeur.
La figure 3 est une vue schématique d'un procédé de production de gaz de synthèse comme celui de la figure 1, excepté que ce procédé comprend un seul conduit de gaz oxygéné. Ce schéma est utilisé quand la chaleur requise pour la combustion nécessaire pour la réaction de formation du gaz de synthèse est suffisamment fournie par tout le gaz oxygéné de la turbine à gaz.
La figure 4 est une vue schématique correspondant au procédé de la figure 1 détaillant le dispositif de distribution du gaz oxygéné principal et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7. Les trois conduits 9, 91 et 92 permettent de distribuer le gaz d'échappement oxygéné 2 de la turbine
3 ou l'air atmosphérique 8 au moyen des ouvertures suivantes :
- l'ouverture 10 permet d'introduire le gaz oxygéné 2 de la turbine à gaz 3 dans le conduit 9, - l'ouverture 161 et l'ouverture 211 permettent respectivement d'introduire une partie 21 du gaz oxygéné 2 dans le conduit 91 et une partie 22 du gaz d'échappement oxygéné 2 dans le conduit 92,
- les volets 16 et 4 permettent de réguler le débit du gaz 21 et du gaz 22,
- l'ouverture 11 et l'ouverture 112 permettent respectivement d'introduire l'air atmosphérique 8 dans le conduit 91 et dans le conduit 92,
- les trappes 111 et 113 permettent de choisir l'introduction soit du gaz oxygéné 21 ou 22, soit de l'air atmosphérique 8 dans leur conduit respectif 91 ou 92,
- les brûleurs 120 et 20 permettent de chauffer le gaz circulant dans les conduits 91 et 92,
- l'ouverture 162 permet d'évacuer le gaz présent dans le conduit 91 vers la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7,
- l'ouverture 212 permet d'évacuer le gaz présent dans le conduit 92 vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5,
- l'ouverture 151 permet d'évacuer le gaz oxygéné présent dans le conduit 9 vers l'atmosphère au moyen de la cheminée 40, des volets 15 permettant de réguler ce flux. Si la turbine à gaz 3 fonctionne et produit un gaz oxygéné, les trappes 111 et 113 sont mises en place de manière à fermer les ouvertures 11 et 112 : ainsi, on alimente la chambre de combustion de l'unité 7 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 en gaz d'échappement de la turbine 3. Au moyen des volets 4 et 16, il est permis de distribuer à volonté plus ou moins de gaz d'échappement de la turbine 3 soit vers le conduit 91 et la chambre de combustion de l'unité 7, soit vers le conduit 92 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5. En outre, le volet 16 est asservi au capteur 100 de mesure de la pression et/ou de la concentration en oxygène de l'unité de production de gaz de synthèse par contrôle réactif : il peut être plus ou moins ouvert en fonction de ce contrôle de manière à réguler le débit du gaz d'échappement 2 de la turbine 3 circulant dans le conduit 91.
Si la turbine à gaz 3 ne fonctionne pas, les trappes 111 et 113 sont mises en place de manière à ouvrir les ouvertures 11 et 112 et alimenter ainsi la chambre de combustion 7 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 en air atmosphérique (gaz oxygéné secondaire). Dans ce cas, les brûleurs 20 et 120 permettent de préchauffer l'air atmosphérique. Si la turbine à gaz 3 est défaillante et ne produit pas un gaz oxygéné, les volets 4 et 16 sont fermés, les volets 15 sont réglés de manière à évacuer le gaz de la turbine vers l'atmosphère à travers la cheminée 40. Simultanément, les trappes 111 et 113 sont mises en place de manière à ouvrir les ouvertures 11 et 112 et alimenter ainsi la chambre de combustion 7 et la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 en air atmosphérique (gaz oxygéné secondaire).
La figure 5 est une vue schématique correspondant au procédé de la figure 2 détaillant le dispositif de distribution du gaz d'échappement 2 de la turbine 3 et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7. Ce schéma diffère de celui de la figure 4 en ce qu'il comprend une unité de production de vapeur 13 alimentée en combustibles 42 et en comburant par une partie 22 du gaz d'échappement 2 issu de la turbine à gaz 3. Dans cette mise en œuvre, le conduit 92 permet d'alimenter en gaz oxygéné cette unité de production de vapeur 13 plutôt que de procurer du gaz oxygéné à la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5.
La figure 6 est une vue schématique correspondant au procédé de la figure 3 détaillant le dispositif de distribution du gaz d'échappement 2 de la turbine 3 et du gaz oxygéné secondaire dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse 7. Ce schéma diffère de celui des figures 4 et 5 en ce qu'il ne comprend pas de conduit 92 permettant d'évacuer le gaz oxygéné vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 ou vers une unité de production de vapeur 13.
La figure 7 est une variante de la mise en oeuvre de la figure 6 dans laquelle l'ouverture 11, qui permet d'introduire du gaz oxygéné secondaire dans le conduit 91 , est relié à un conduit 94 permettant l'introduction d'oxygène pur 174 issu d'une ASU 172 dans le conduit 91. L1ASU 172 fournit également de l'oxygène pur 173 à un réformeur secondaire 171 et de l'oxygène 175 pour l'export.
La figure 8 est une variante de la mise en oeuvre de la figure 4 dans laquelle une partie des produits de combustion 30 de l'unité de production de gaz de synthèse alimente le brûleur 20 du conduit 92 au moyen d'un conduit 300. Des volets 183 permettent de moduler le débit de ces produits de combustion 300. La recirculation des produits de combustion permet de diminuer la température de la flamme et de limiter la production d'oxydes d'azote NOx. Le taux de recirculation des produits de combustion peut varier entre 15 et 20 %. Une réduction d'environ 40 à 55 % des émissions de NOx a été observée.
Par la mise en œuvre de l'invention, on a constaté que l'utilisation temporaire ou en continu du gaz oxygéné de la turbine à gaz dans le dispositif de production de gaz de synthèse permet l'utilisation d'une seule section de récupération de chaleur dans ledit dispositif de production de gaz de synthèse, comme dans les figures 1 , 3, 4, 6, 7 et 8, alors qu'il faut habituellement en utiliser deux. Dans certains cas, la quantité de combustible utilisée par le dispositif de production de gaz de synthèse est réduite par rapport au cas où l'unité de production de gaz de synthèse et l'unité de cogénération sont indépendantes. On a également observé que la quantité de vapeur produite peut être augmentée lors de l'utilisation du dispositif selon l'invention comprenant trois conduits en mettant en route la post-combustion dans les brûleurs présents dans le troisième conduit. L'invention permet en effet de régler le débit, la température et la pression de production de vapeur pour l'export à travers la turbine à vapeur. De plus, le combustible et la matière première hydrocarbonée et combustible utilisés pour la coproduction d'électricité, de vapeur et de gaz de synthèse sont convertis avec une efficacité de 80 % à 90 % ; ce taux de conversion ne peut pas être atteint par une unité de génération d'énergie indépendante. Le gaz oxygéné chaud issu de la turbine à gaz aide à réduire la consommation du carburant requis par la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse. Les gaz de combustion sont donc plus disponibles pour produire la vapeur supplémentaire qui peut passer à travers une turbine à vapeur afin de produire plus d'électricité. Cette invention permet de produire aussi de l'air préchauffé qui peut être utilisé dans la régénération des catalyseurs dans certains procédés industriels. Bref, une forte augmentation d'efficacité thermique et électrique est réalisée par une croissance de production de vapeur et d'électricité divisée par une baisse de consommation de gaz comme carburant. Selon l'invention, le fait que le gaz oxygéné issu de la turbine à gaz soit chaud permet de diminuer la consommation de combustible dans la chambre de combustion du dispositif de production de gaz de synthèse. La zone de récupération de chaleur du gaz de combustion peut également remplacer une unité de production de vapeur d'une unité de cogénération. Une fois que la chaleur du gaz oxygéné et du gaz de combustion est récupérée, le gaz d'échappement refroidi est aspiré par un ventilateur et évacué par une cheminée. La vapeur obtenue dans l'unité de récupération de vapeur du dispositif de production de gaz de synthèse 17, la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion 5 et l'unité de production de vapeur 13 peuvent être introduites soit dans une turbine à vapeur à contre-pression qui produit de la vapeur et de l'électricité, soit dans une turbine à condensation de vapeur produisant de l'eau chaude et de l'électricité.
En outre, l'alternateur de la turbine à gaz produit de l 'électricité qui peut être utilisée par les équipements auxiliaires, par exemple des ventilateurs, compresseurs et pompes qui se trouvent dans l'usine intégrée. Dans la mise en œuvre illustrée par la figure 7 et prévoyant, en cas d'arrêt de la turbine, l'utilisation d'oxygène provenant d'une ASU à la place de l'air atmosphérique, les avantages suivants sont obtenus : efficacité améliorée de l'unité de récupération de chaleur (du fait de l'absence d'azote), diminution des émissions NOx, diminution de la quantité de gaz utilisée comme carburant L'invention apporte de la flexibilité au site industriel et une gamme de produits plus grande par la production de gaz de synthèse, de CO, d'hydrogène, d'oxogaz (mélange de H2 et CO à ratio précis), de vapeur, d'air chaud et d'électricité.
Le dispositif de production de gaz de synthèse peut être équipé de systèmes de traitement des gaz d'échappement tel qu'une unité de réduction sélectif catalytique de NOx ("Sélective Catalytic Removal of NOx" en anglais ou SCR) pour contrôler la teneur en NOx provenant du gaz de combustion ou un dispositif de nettoyage de gaz d'échappement pour enlever le dioxyde de carbone, des particules et les oxydes de soufre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'alimentation en comburant du dispositif de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse (1) par le gaz d'échappement (2) produit par une turbine à gaz (3), caractérisé en ce que le débit du gaz d'échappement (2) introduit dans le dispositif de combustion est contrôlé en fonction de la valeur de la concentration en oxygène et/ou de la pression au sein du four de l'unité de production de gaz de synthèse (1).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contrôle du débit du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) introduit dans le dispositif de combustion se fait par au moins un moyen de contrôle (103) placé sur le dispositif de distribution du gaz d'échappement (2) au dispositif de combustion.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le contrôle du débit du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) introduit dans le dispositif de combustion se fait par au moins un ventilateur d'extraction aspirant les produits de combustion (37) à la sortie de l'unité de production de gaz de synthèse (1).
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) introduit dans le dispositif de combustion est contrôlé de manière à ce que la concentration en oxygène en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse (1) soit comprise entre 2 et 3 % en volume.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) introduit dans le dispositif de combustion est contrôlé de manière à ce que la pression en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse (1) soit comprise entre - 5 mm et - 15 mm d'eau.
6. Dispositif d'alimentation en comburant du dispositif de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse (1) par le gaz d'échappement (2) produit par une turbine à gaz (3) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins deux conduits (9, 91), - le premier conduit (9) comprenant : . une ouverture (10) coopérant avec la turbine à gaz (3) et permettant l'introduction du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) dans ledit premier conduit (9),
. une ouverture (161) coopérant avec le deuxième conduit (91) et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit (9) vers le deuxième conduit (91), . une ouverture (151) permettant l'évacuation du gaz présent dans ledit conduit (9) vers l'atmosphère, - le deuxième conduit (91) comprenant :
. une ouverture (161) coopérant avec le premier conduit (9) et permettant l'introduction du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) dans ledit deuxième conduit (91), . une ouverture (11) permettant l'introduction d'un gaz oxygéné secondaire (8) dans ledit deuxième conduit (91), . un moyen de contrôle (111) de l'ouverture (11) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans le second conduit (91), permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture (11),
. une ouverture (162) permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le deuxième conduit (91) vers le dispositif de combustion d'une unité de production de gaz de synthèse,
. un moyen de régulation (16) du débit de gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de régulation (16) du débit de gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) dans le deuxième conduit (91) est asservi à un capteur de pression et/ou de concentration en oxygène situé en aval de la chambre de combustion de l'unité de production de gaz de synthèse.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7 permettant la distribution du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) dans une zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou vers une unité de production de vapeur (13), caractérisé en ce qu'il comprend trois conduits (9, 91 , 92) et en ce que :
- le premier conduit (9) comprend une ouverture (211) coopérant avec le troisième conduit (92) et permettant l'évacuation du gaz présent dans le premier conduit (9) vers le troisième conduit (92), - le troisième conduit (92) comprend :
. une ouverture (211) coopérant avec le premier conduit (9) et permettant l'introduction du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) dans ledit troisième conduit (92), . une ouverture (112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans ledit deuxième conduit (92), . un moyen de contrôle (113) de l'ouverture (112) permettant l'introduction du gaz oxygéné secondaire (8) dans le troisième conduit (92), permettant soit l'ouverture, soit la fermeture de l'ouverture (112),
. une ouverture (212) permettant l'évacuation du gaz oxygéné présent dans le troisième conduit (92) vers la zone de récupération de chaleur du gaz de combustion (5) et/ou vers l'unité de production de vapeur (13).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le premier conduit (9) comprend un moyen de partage du gaz d'échappement (2) de la turbine à gaz (3) entre le deuxième conduit (91) et le troisième conduit (92).
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