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FR2929686A1 - APPARATUS AND METHOD FOR OXYCOMBUSTION WITH CO2 CAPTURE. - Google Patents

APPARATUS AND METHOD FOR OXYCOMBUSTION WITH CO2 CAPTURE. Download PDF

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FR2929686A1
FR2929686A1 FR0852312A FR0852312A FR2929686A1 FR 2929686 A1 FR2929686 A1 FR 2929686A1 FR 0852312 A FR0852312 A FR 0852312A FR 0852312 A FR0852312 A FR 0852312A FR 2929686 A1 FR2929686 A1 FR 2929686A1
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Un appareil d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air (2) dans lequel on produit de l'oxygène (10) éventuellement par distillation cryogénique, une chaudière d'oxycombustion (1), des moyens pour envoyer l'oxygène et un carburant (14) vers la chaudière d'oxycombustion, des moyens (19) pour récupérer des fumées de la chaudière d'oxycombustion contenant du dioxyde de carbone et des moyens pour épurer les fumées (7) pour en extraire du dioxyde de carbone, l'appareil de séparation d'air étant prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 95% mol..An oxy-fuel combustion apparatus comprising an air separation apparatus (2) in which oxygen (10) is produced optionally by cryogenic distillation, an oxy-fuel combustion boiler (1), means for supplying oxygen and a fuel (14) to the oxy-fuel combustion boiler, means (19) for recovering fumes from the oxy-fuel combustion boiler containing carbon dioxide and means for purifying the fumes (7) to extract carbon dioxide therefrom, air separation apparatus being provided for producing oxygen for supply to the boiler having a purity not exceeding 95 mol%.

Description

2929686 La présente invention concerne un appareil et un procédé d'oxycombustion avec capture de dioxyde de carbone. L'oxycombustion dans une chaudière permet de faciliter la capture de CO2. La consommation énergétique de l'appareil de séparation d'air pèse de façon significative sur le rendement global de l'installation. En général, elle représente près du double de la consommation de purification et compression du CO2, avant séquestration. On se propose de réduire la consommation globale d'énergie de l'appareil de séparation d'air (ASU) alimentant l'oxycombustion et de l'unité io d'épuration et de compression du CO2 (CO2 CPU). L'invention consiste à choisir une teneur pour l'oxygène produit par l'ASU qui minimise la consommation globale de l'ASU et de la CO2 CPU. L'invention consiste à choisir une teneur pour le produit riche en oxygène de l'ASU qui minimise la consommation globale ASU+CO2 CPU, tout 15 en prenant en compte les infiltrations d'air dans la chaudière (le cas échéant). Par exemple, sur une configuration classique ASU basse pression, de type ayant deux vaporiseurs dans la colonne basse pression et un CO2 CPU basé sur une purification utilisant deux séparateurs de phase, on peut gagner jusqu'à 3% d'énergie (ramenée à l'ASU) en produisant de l'oxygène à 85% mol. 20 au lieu de 95% mol., qui est la valeur classiquement retenue. Encore sur une configuration classique ASU basse pression, de type utilisant deux vaporiseurs dans la colonne basse pression et un CO2 CPU basé sur une purification utilisant deux séparateurs de phase et une colonne de distillation avec recyclage d'un fluide CO2 pur ou impur, on peut gagner jusqu'à 25 5% d'énergie (ramenée à l'ASU) en produisant de l'oxygène à 75% mol. au lieu de 95% mol. Bien sûr, produire de l'oxygène très impur conduit à avoir plus d'azote dans les fumées de la chaudière, ce qui va pénaliser la partie CO2 CPU en termes de taille et d'énergie car il y a plus de débit à traiter.The present invention relates to an apparatus and method for oxycombustion with capture of carbon dioxide. Oxycombustion in a boiler makes it easier to capture CO2. The energy consumption of the air separation unit weighs significantly on the overall efficiency of the installation. In general, it accounts for almost double the CO2 purification and compression consumption, before sequestration. It is proposed to reduce the overall energy consumption of the air separation apparatus (ASU) supplying the oxycombustion and the CO2 purification and compression unit (CO2 CPU). The invention consists in choosing an oxygen content produced by the ASU which minimizes the overall consumption of the ASU and the CO2 CPU. The invention consists in choosing a content for the oxygen-rich product of the ASU which minimizes the overall ASU + CO2 CPU consumption, all taking into account the infiltrations of air into the boiler (if any). For example, on a conventional ASU low pressure configuration, of type having two vaporizers in the low pressure column and a CO2 CPU based on a purification using two phase separators, it is possible to gain up to 3% of energy (reduced to 1%). ASU) producing 85 mol% oxygen. Instead of 95 mol%, which is the value conventionally used. Still on a conventional low pressure ASU configuration, of the type using two vaporizers in the low pressure column and a purification based CO2 CO2 using two phase separators and a distillation column with recycling of a pure or impure CO2 fluid, it is possible to gain up to 25% energy (brought back to the ASU) by producing 75 mol% oxygen. instead of 95 mol%. Of course, producing very impure oxygen leads to having more nitrogen in the boiler fumes, which will penalize the CO2 portion CPU in terms of size and energy because there is more flow to process.

30 Néanmoins, de manière surprenante, quand on compare le poids relatif du CO2 CPU en termes d'énergie et de coût par rapport à l'ASU, il est intéressant de déplacer le point de fonctionnement vers un teneur 02 plus impur (c'est à dire inférieure à 95% mol.).Nevertheless, surprisingly, when comparing the relative weight of CO2 CPU in terms of energy and cost with respect to the ASU, it is interesting to shift the operating point to a more impure content (this is to say less than 95 mol%).

2 2929686 Ceci est d'autant plus significatif que l'on vise un rendement CO2 moyen (entre 85 et 95%). Selon un objet de l'invention, il est prévu un appareil d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air dans lequel on produit de l'oxygène 5 éventuellement par distillation cryogénique, une chaudière d'oxycombustion, des moyens pour envoyer l'oxygène et un carburant vers la chaudière d'oxycombustion, des moyens pour récupérer des fumées de la chaudière d'oxycombustion contenant du dioxyde de carbone et des moyens pour épurer les fumées pour en extraire du dioxyde de carbone caractérisé en ce que io l'appareil de séparation d'air est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 95% mol. Selon d'autres aspects de l'invention : - l'appareil de séparation d'air est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 90% mol.. 15 - l'appareil de séparation d'air est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 85% mol.. - l'appareil de séparation d'air est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 80% mol.. - l'appareil comprend une double ou triple colonne de séparation d'air, 20 des moyens pour envoyer l'air à la colonne opérant à la plus haute pression, la colonne opérant à la plus basse pression contenant deux condenseurs, dont un condenseur de cuve et un condenseur intermédiaire. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un procédé d'oxycombustion dans lequel on produit de l'oxygène éventuellement par 25 distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air, on envoie l'oxygène et un carburant vers une chaudière d'oxycombustion, on récupère des fumées de la chaudière d'oxycombustion contenant du dioxyde de carbone et on les épure pour en extraire du dioxyde de carbone caractérisé en ce que l'appareil de séparation d'air est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à 30 la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 95% mol. Selon d'autres aspects de l'invention : - l'appareil de séparation d'air produit de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 90% mol.. 3 2929686 - l'appareil de séparation d'air produit de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 85% mol.. - l'appareil de séparation d'air produit de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 80% mol..2 2929686 This is all the more significant as we aim for an average CO2 yield (between 85 and 95%). According to one object of the invention, there is provided an oxy-fuel combustion apparatus comprising an air separation apparatus in which oxygen is produced, optionally by cryogenic distillation, an oxy-fuel combustion boiler, means for sending the oxygen and a fuel to the oxycombustion boiler, means for recovering fumes from the oxy-fuel combustion boiler containing carbon dioxide and means for purifying the fumes to extract carbon dioxide, characterized in that the apparatus air separation is provided to produce oxygen to be sent to the boiler having a purity not exceeding 95 mol%. According to other aspects of the invention: the air separation apparatus is provided to produce oxygen for supply to the boiler having a purity of not more than 90 mol%; of air is provided to produce oxygen to be sent to the boiler having a purity of not more than 85 mol%. - the air separation apparatus is provided to produce oxygen to be sent to the boiler having a purity not exceeding 80 mol%. the apparatus comprises a double or triple air separation column, means for sending air to the column operating at the highest pressure, the column operating at the most low pressure containing two condensers, including a tank condenser and an intermediate condenser. According to another object of the invention, there is provided an oxy-fuel combustion process in which oxygen is optionally produced by cryogenic distillation in an air separation apparatus, oxygen and a fuel are sent to a boiler. oxyfuel combustion, fumes are recovered from the carbon dioxide-containing oxycombustion boiler and are purified to extract carbon dioxide, characterized in that the air separation apparatus is provided for producing oxygen to send to the boiler having a purity not exceeding 95 mol%. According to other aspects of the invention: the air separation apparatus produces oxygen to be supplied to the boiler having a purity of not more than 90 mol%; the separation apparatus of air produces oxygen to be sent to the boiler having a purity not exceeding 85 mol%. - the air separation apparatus produces oxygen to be sent to the boiler having a purity of not more than 80 mol% ..

5 L'invention sera décrite en plus de détail en se référant à la figure qui est une vue schématique d'un appareil d'oxycombustion. Un appareil de séparation d'air 2 produit un débit riche en oxygène 10 à une pureté allant de 75 à 95 % mol. et un débit d'azote résiduaire 13. Le débit riche en oxygène 10 est divisé en deux pour former deux sous débits 11 et 12. io Un débit de recycle 15 passe dans les unité de pulvérisation 3 de charbon 14. Le débit 11 est mélangé avec le débit de recycle 11 en aval de l'unité 3 et le mélange est envoyé aux brûleurs de la chaudière 1. Le débit 12 est mélangé avec un débit de recycle 16 qui alimente les brûleurs. De l'eau est envoyée à la chaudière 1 pour produire de la vapeur 18 à détendre dans la turbine 8. Le 15 gaz résiduaire 19 constitué par les fumées de l'oxycombustion riche en CO2, typiquement contenant plus de 70 mol. % de CO2 parcourt plusieurs traitements pour éliminer les impuretés. Sa composition est typiquement (base séche): Ar:2à3% 20 02:3% N2 : 1 à 25% CO2 : le reste, hors impureté type SOx, NOx,... Ces unités peuvent comprendre une unité 4 d'élimination de NOx , par exemple par réduction, une unité 5 d'élimination de poussières, par exemple 25 par filtrage, une unité 6 de désulfurisation pour éliminer SO2 et/ou SO3. Les unités 4 et 6 peuvent ne pas être nécessaires selon la pureté de CO2 requis. Le gaz résiduaire épuré 24 est envoyé à l'unité de compression et épuration 7 pour produire un débit riche en CO2 contenant plus que 85% de CO2 , voire plus que 99% de CO2, qui pourra être récupéré et un débit résiduaire 26.The invention will be described in more detail with reference to the figure which is a schematic view of an oxycombustion apparatus. An air separation apparatus 2 produces a high oxygen flow rate at a purity ranging from 75 to 95 mol%. and a flow of waste nitrogen 13. The oxygen-rich flow 10 is divided in two to form two sub-streams 11 and 12. A recycle flow rate 15 passes into the pulverization units 3 of coal 14. The flow 11 is mixed with the recycle flow 11 downstream of the unit 3 and the mixture is sent to the burners of the boiler 1. The flow 12 is mixed with a recycle flow 16 which feeds the burners. Water is supplied to the boiler 1 to produce steam 18 to be expanded in the turbine 8. The waste gas 19 consists of CO2-rich oxy-fuel fumes, typically containing more than 70 moles. % of CO2 goes through several treatments to remove impurities. Its composition is typically (dry base): Ar: 2 to 3% O 2: 3% N 2: 1 to 25% CO2: the rest, excluding impurity type SOx, NOx, ... These units may comprise a unit 4 of elimination of NOx, for example by reduction, a unit 5 for removing dust, for example by filtering, a desulphurization unit 6 for removing SO2 and / or SO3. Units 4 and 6 may not be needed depending on the CO2 purity required. The purified waste gas 24 is sent to the compression and purification unit 7 to produce a flow rich in CO2 containing more than 85% of CO2, or even more than 99% of CO2, which can be recovered and a residual flow 26.

30 L'appareil de séparation d'air 2 est de préférence du type comprenant une double ou triple colonne de séparation d'air avec colonne moyenne pression et colonne basse pression. La colonne basse pression comprend un condenseur de cuve et un condenseur intermédiaire, le condenseur de cuve 4 2929686 étant chauffé par de l'air ou de l'azote et le condenseur intermédiaire étant chauffé par de l'azote. De tels appareils sont connus de EP-A-0538118 et US-A-4704148 . 20 5 The air separation apparatus 2 is preferably of the type comprising a double or triple air separation column with medium pressure column and low pressure column. The low pressure column comprises a tank condenser and an intermediate condenser, the tank condenser 2929686 being heated by air or nitrogen and the intermediate condenser being heated with nitrogen. Such devices are known from EP-A-0538118 and US-A-4704148. 20 5

Claims (9)

REVENDICATIONS1. Appareil d'oxycombustion comprenant un appareil de séparation d'air (2) dans lequel on produit de l'oxygène éventuellement par distillation cryogénique, une chaudière d'oxycombustion (1), des moyens pour envoyer l'oxygène et un carburant (14) vers la chaudière d'oxycombustion, des moyens pour récupérer des fumées (19) de la chaudière d'oxycombustion contenant du dioxyde de carbone et des moyens (7) pour épurer les fumées pour en extraire du dioxyde de carbone caractérisé en ce que l'appareil de séparation d'air est io prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une pureté ne dépassant pas 95% mol.. REVENDICATIONS1. Oxygen combustion apparatus comprising an air separation apparatus (2) in which oxygen is optionally produced by cryogenic distillation, an oxy-fuel combustion boiler (1), means for supplying oxygen and a fuel (14) to the oxycombustion boiler, means for recovering fumes (19) from the oxy-fuel combustion boiler containing carbon dioxide and means (7) for purifying the fumes to extract carbon dioxide, characterized in that the Air separation apparatus is provided to produce oxygen for supply to the boiler having a purity not exceeding 95 mol%. 2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel l'appareil de séparation d'air (2) est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière (1) 15 ayant une pureté ne dépassant pas 90% mol.. An apparatus according to claim 1 wherein the air separation apparatus (2) is provided to produce oxygen for supply to the boiler (1) having a purity not exceeding 90 mol%. 3. Appareil selon la revendication 2 dans lequel l'appareil de séparation d'air (2) est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière (1) ayant une pureté ne dépassant pas 85% mol.. Apparatus according to claim 2 wherein the air separation apparatus (2) is provided to produce oxygen for supply to the boiler (1) having a purity not exceeding 85 mol%. 4. Appareil selon la revendication 3 dans lequel l'appareil de séparation d'air (2) est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière (1) ayant une pureté ne dépassant pas 80% mol.. 25 Apparatus according to claim 3 wherein the air separation apparatus (2) is provided to produce oxygen for supply to the boiler (1) having a purity not exceeding 80 mol%. 5. Appareil selon l'une des revendications précédentes comprenant une double ou triple colonne de séparation d'air, des moyens pour envoyer l'air à la colonne opérant à la plus haute pression, la colonne opérant à la plus basse pression contenant deux condenseurs, dont un condenseur de cuve et un condenseur intermédiaire. 30 5. Apparatus according to one of the preceding claims comprising a double or triple air separation column, means for sending air to the column operating at the highest pressure, the column operating at the lowest pressure containing two condensers , including a tank condenser and an intermediate condenser. 30 6. Procédé d'oxycombustion dans lequel on produit de l'oxygène éventuellement par distillation cryogénique dans un appareil de séparation d'air (2), on envoie l'oxygène et un carburant (14) vers une chaudière (1) i0 6 2929686 d'oxycombustion, on récupère des fumées (19) de la chaudière d'oxycombustion contenant du dioxyde de carbone et on les épure pour en extraire du dioxyde de carbone caractérisé en ce que l'appareil de séparation d'air est prévu pour produire de l'oxygène à envoyer à la chaudière ayant une 5 pureté ne dépassant pas 95% mol.. 6. An oxy-fuel combustion process in which oxygen is optionally produced by cryogenic distillation in an air separation apparatus (2), oxygen and a fuel (14) are supplied to a boiler (1) 6 2929686 oxycombustion, fumes (19) are recovered from the carbon dioxide-containing oxy-fuel combustion boiler and are purified to extract carbon dioxide, characterized in that the air separation apparatus is designed to produce carbon dioxide. the oxygen to be sent to the boiler having a purity not exceeding 95 mol%. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l'appareil de séparation d'air (2) produit de l'oxygène à envoyer à la chaudière (1) ayant une pureté ne dépassant pas 90% mol.. 7. The method of claim 6 wherein the air separation apparatus (2) produces oxygen to be sent to the boiler (1) having a purity not exceeding 90 mol%. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'appareil de séparation d'air (2) produit de l'oxygène à envoyer à la chaudière (1) ayant une pureté ne dépassant pas 85% mol.. 15 The method of claim 7 wherein the air separation apparatus (2) produces oxygen to be supplied to the boiler (1) having a purity not exceeding 85 mol%. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel l'appareil de séparation d'air (2) produit de l'oxygène à envoyer à la chaudière (1) ayant une pureté ne dépassant pas 80% mol.. 20 9. The method of claim 8 wherein the air separation apparatus (2) produces oxygen to be sent to the boiler (1) having a purity not exceeding 80 mol%.
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