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EP1726878B1 - Procédé de valorisation des fuites de produits dans les systèmes d'étanchéité des compresseurs par récupération et recyclage en tant que combustible - Google Patents

Procédé de valorisation des fuites de produits dans les systèmes d'étanchéité des compresseurs par récupération et recyclage en tant que combustible Download PDF

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EP1726878B1
EP1726878B1 EP06300438A EP06300438A EP1726878B1 EP 1726878 B1 EP1726878 B1 EP 1726878B1 EP 06300438 A EP06300438 A EP 06300438A EP 06300438 A EP06300438 A EP 06300438A EP 1726878 B1 EP1726878 B1 EP 1726878B1
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EP
European Patent Office
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pressure
gas
gas flow
combustible
seal device
Prior art date
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EP06300438A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP1726878A1 (fr
Inventor
Pascal Marty
Marie-Pascal Victor
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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
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Publication date
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Publication of EP1726878A1 publication Critical patent/EP1726878A1/fr
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Publication of EP1726878B1 publication Critical patent/EP1726878B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/08—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases using flares, e.g. in stacks
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases

Definitions

  • the present invention relates to a method of upgrading a combustible gas product collected in the sealing device of a compressor of said combustible gas product.
  • the invention is applicable to processes in which combustible gases, or gaseous mixtures containing combustible gases, are compressed. It finds a particularly advantageous application in the field of production and / or synthesis gas treatment (HYCO process), allowing the production and / or treatment of combustible gases or gas mixtures containing combustible gases among which we will mention in particular H 2 , CO, CH 4 , natural gas, CO 2 .
  • HYCO process synthesis gas treatment
  • Gas compressors are well known, alternating or centrifugal type, with labyrinth type sealing systems or "dry face seal” (English language).
  • the method used at the plant level generally comprises one or more endothermic stages that require a heat input.
  • this heat input will come at least partly from exchange between fluids.
  • water vapor provides at least some of the needs, but in case of high heat requirements, for example in the case of steam reforming for hydrogen and / or carbon monoxide production, only or in mixture, the heat provided by a combustion reaction is required.
  • the fuel used contains at least part of the recycled fuel products from different process steps (PSA residuals, cold box waste gases, for example residual methane, instantaneous gas [flash gas in English]) and partly imported fuel, it is often a fraction of the feedstock to the process (or primary gas), usually natural gas. The waste gases and the primary gas fraction are mixed and then directed via a fuel collector ("fuel header" in English) to the burners required for the combustion reaction.
  • gaseous leakage products from compressors sealing devices intended for the compression of products represent a valuation opportunity; these losses of products due to the lack of tightness of the compressors can for example reach in the case of a hydrogen production up to 5% of production in H 2 .
  • the process generally requires heat inputs, often requiring the use of combustion reactions fed with gaseous fuels.
  • the object of the present invention is to provide a solution to the problem of the loss of valuable products via leaks in the compression steps of the process.
  • Another object of the invention is to limit the consumption of fuel from a source external to the process.
  • an object of the invention is thus to value - to its value as a fuel - hydrogen produced corresponding to a fraction of up to 5% of production.
  • the inert gas used is nitrogen, because of its availability on site.
  • the pressure in the leak circuit is controlled by means of two pressure controllers (PIC), the first controlling a valve located on the supply line to the "fuel header", while the other, set at a higher pressure value controls a valve located on the pipe supplying the flare.
  • PIC pressure controllers
  • This arrangement is justified by the fact that if for any reason (especially in case of excessive pressure at the fuel header), the first PIC and the associated valve can not evacuate the entire flow of gas, the pressure will continue to rise in the leak circuit.
  • the second PIC then becomes active and opens the valve to the flare, removing the excess gas that can not be recycled to the burners.
  • the second PIC has a setpoint of about 200mbar above the setpoint of the first PIC.
  • the method of the invention and particularly advantageous in the case where the fuel gas product is hydrogen. Indeed, in the case of hydrogen production, the losses observed in the sealing systems of hydrogen compressors can reach 5% of the production.
  • the process of the invention makes it possible to efficiently valorize them as fuel instead of losing them completely.
  • the process is advantageously applied for the recovery of combustible products used during the production and / or treatment of synthesis gas.
  • the figure shows a diagram illustrating a preferred embodiment of the invention for the recovery of product leaks recovered at the product compressor sealing devices corresponding to an example of recovery of leaks from a hydrogen compressor according to the invention.
  • Nitrogen 1 supplied via the pipe 2 and the valve 3 is injected into the sealing system 4 of the hydrogen compressor.
  • the gas mixture 5 containing nitrogen and hydrogen injected from the compressor leaks is recovered at the sealing system 4 and supplies the pipe 6, which is equipped with a valve 7 for preventing overpressure.
  • the pipe 6 is a section common to the two pipes 8 and 9, the pipe 8 feeding the "fuel header" 10, while the pipe 9 is connected to the flare 11.
  • the pressure in the leak circuit (all lines 6, 8, 9) is controlled by two PIC-type pressure controllers 12 and 13 .
  • the pressure controller 12 said main controller actuates the valve 14 which controls the sending of the leakage gas to the pressure collector circuit "fuel-header", while the secondary PIC 13, set to a pressure value greater than that the controller 12, 200 mbar for example, actuates the valve 15 which controls the sending of gas to the flare 11.
  • the pressure in the "fuel header" is usually between 1 and 2 bar absolute, preferably of the order of 1.3 bar absolute.
  • the "fuel header” is mechanically designed to withstand a pressure of up to 7 bar absolute, and in case of excessive pressure on the "fuel header” side, there may be gas reflux to the lines 8, then 6, increasing the gas pressure in these lines, which can cause a deterioration of the compressor sealing system (it should be noted that an increase of pressure will tend to fully open a pressure controlled valve - hence the valves actuated by the PICs).
  • the pipe 6 is, as described above, provided with the valve 7.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de valorisation d'un produit gazeux combustible collecté dans le dispositif d'étanchéité d'un compresseur dudit produit gazeux combustible.
  • L'invention s'applique à des procédés dans lesquels on comprime des gaz combustibles, ou des mélanges gazeux contenant des gaz combustibles. Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la production et/ ou du traitement de gaz de synthèse (procédé HYCO), permettant la production et/ ou le traitement de gaz combustibles ou de mélanges gazeux contenant des gaz combustibles parmi lesquels on citera notamment H2, CO, CH4, gaz naturel, CO2.
  • Il est en effet fréquemment nécessaire dans les procédés traitant ce type de produits de devoir en cours de procédé comprimer au moins un des produits gazeux mis en oeuvre sur l'installation. On citera par exemple :
    • l'hydrogène produit, comprimé pour les besoins des clients,
    • le gaz de synthèse comprimé pour les besoins de sa purification,
    • le monoxyde de carbone comprimé pour les besoins de froid et/ou les besoins clients.
  • Les compresseurs de gaz sont bien connus, de type alternatif ou centrifuge , avec des systèmes d'étanchéité de type labyrinthe ou barrage sec (« dry face seal » en langue anglaise).
  • Malgré les dispositifs d'étanchéité dont sont munis les compresseurs, des fuites de produit gazeux comprimé sont inévitables au niveau de chaque cylindre de compression, entre la tige du piston et le cylindre. En effet, le jeu existant entre la tige de piston mobile en translation et les joints d'étanchéité, génère un débit de fuite résiduel qui bien que faible doit être contrôlé. De plus, ces pertes de produit par défaut d'étanchéité augmentent au fur et à mesure de l'usure des joints d'étanchéité. En conséquence, le débit gazeux de fuite n'est jamais nul, et augmente graduellement avec l'usure des joints d'étanchéité.
  • Ces produits, qu'il s'agisse d'hydrogène, d'oxydes de carbone, méthane ou autres doivent pour différentes raisons, et notamment de sécurité et d'environnement en raison de leur caractère dangereux (toxique et/ou explosif) être brûlés avant évacuation vers l'atmosphère.
  • Afin de résoudre ce problème, les industriels récupèrent classiquement ces produits combustibles provenant de fuites au niveau des compresseurs et les envoient vers une torchère où ils brûlent en présence d'air en libérant du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.
  • C'est ainsi que le document US 5 344 313 décrit une méthode permettant de contrôler les émissions de composés organiques volatils issus d'équipements mécaniques de type rotatif ou alternatif, tels des pompes, il décrit aussi un système permettant de collecter les composés émis, de les transporter en minimisant ou en prévenant les risques d'explosion à l'intérieur du système, et de les éliminer en les brûlant à l'extérieur du système.
    Le document US 4 468 193 décrit quant à lui un procédé et un appareillage pour l'élimination de gaz hydrocarbonés par combustion. Selon ce procédé, on mélange deux flux de gaz hydrocarbonés en proportion variable, entre eux ou avec d'autres constituants de sorte à produire une combustion sans fumées.
  • Cependant, des produits envoyés à la torchère ne sont aucunement valorisés, au contraire, ils participent à la pollution et contribuent à l'effet de serre. Au fur et à mesure du vieillissement du compresseur, la quantité de gaz de fuite augmentant, une quantité croissante de produit est évacuée sans aucune valorisation.
  • Pour différentes raisons, notamment de prix ou de coût du gaz considéré, il est essentiel de limiter la quantité de gaz envoyé à la torchère.
  • Dans le même temps, le procédé mis en oeuvre au niveau de l'installation comporte en général une ou plusieurs étapes endothermiques qui nécessitent un apport de chaleur. Dans certains cas, cet apport de chaleur proviendra au moins pour partie d'échange entre fluides. La vapeur d'eau notamment pourvoit au moins en partie aux besoins, mais en cas de besoins de chaleur importants, dans le cadre par exemple d'un reformage à la vapeur pour une production d'hydrogène et/ou de monoxyde de carbone, seuls ou en mélange, on a besoin de la chaleur apportée par une réaction de combustion. Le combustible utilisé contient dans ce cas, pour partie au moins des produits combustibles recyclés à partir de différentes étapes du procédé (on citera pour mémoire les résiduaires de PSA, les gaz résiduaires de boîte froide, par exemple résiduaire méthane, gaz instantané [flash gas en langue anglaise]) et pour partie du combustible importé, il s'agit souvent alors d'une fraction de la charge alimentant le procédé (ou gaz primaire), en général du gaz naturel. Les gaz résiduaires et la fraction de gaz primaire sont mélangés puis dirigés via un collecteur de combustibles (« fuel header » en langue anglaise) vers les brûleurs requis pour la réaction de combustion.
  • Ainsi, les produits gazeux de fuite provenant des dispositifs d'étanchéité des compresseurs destinés à la compression des produits représentent une opportunité de valorisation; ces pertes de produits dues au défaut d'étanchéité des compresseurs pouvant par exemple atteindre dans le cas d'une production d'hydrogène jusqu'à 5% de la production en H2. Simultanément, le procédé nécessite en général des apports de chaleur, contraignant souvent à faire appel à des réactions de combustion alimentées grâce à des combustibles gazeux.
  • Le but de la présente invention est d'apporter une solution au problème de la perte de produits valorisables via les fuites au niveau des étapes de compression du procédé.
  • Un autre but de l'invention est de limiter la consommation de combustible provenant d'une source extérieure au procédé.
  • Dans le cadre de la production d'hydrogène, un but de l'invention est ainsi de valoriser - à sa valeur en tant que combustible - de l'hydrogène produit correspondant à une fraction pouvant atteindre 5 % de la production.
  • Pour cela, l'objet de l'invention concerne un procédé de valorisation d'un produit gazeux combustible collecté dans le dispositif d'étanchéité d'un compresseur dudit produit gazeux combustible comprenant les étapes de :
    1. a) alimentation du dispositif d'étanchéité dudit compresseur par un flux de gaz inerte,
    2. b) récupération en sortie dudit dispositif d'étanchéité d'un flux de gaz contenant tout ou partie du flux de gaz inerte de l'étape a) et tout ou partie du flux gazeux de produit combustible collecté dans ledit dispositif d'étanchéité du compresseur, pour alimenter une conduite reliée à la sortie du dispositif d'étanchéité.
    3. c) séparation dudit flux de gaz (mélange de gaz inerte et du flux gazeux de produit combustible) en sortie de ladite conduite en deux flux gazeux, le premier étant destiné à alimenter un «fuel header» relié à des brûleurs, et le second étant envoyé vers une torchère pour être brûlé. (l'ensemble des conduites véhiculant les flux gazeux des étapes b) et c) constituant le circuit des fuites). La pression du dispositif d'étanchéité est maintenue à une pression supérieure à la pression de gaz dans le « fuel header ».
  • De manière avantageuse, le gaz inerte utilisé est de l'azote, en raison de sa disponibilité sur site.
  • De préférence, la pression dans le circuit des fuites est contrôlée au moyen de deux contrôleurs de pression (PIC), le premier pilotant une vanne de située sur la conduite d'alimentation vers le « fuel header», tandis que l'autre, réglé à une valeur de pression plus élevée pilote une vanne située sur la conduite alimentant la torchère. Cet arrangement est justifié par le fait que si pour une raison quelconque (notamment en cas de pression excessive au niveau du « fuel header »), le premier PIC et la vanne associée ne peuvent évacuer tout le flux de gaz, la pression continuera de monter dans le circuit des fuites. Le deuxième PIC devient alors actif et ouvre la vanne vers la torchère, évacuant l'excédent de gaz qui ne peut être recyclé vers les brûleurs. Typiquement, le deuxième PIC a une consigne d'environ 200mbar au dessus de la consigne du premier PIC.
  • De manière avantageuse, le circuit des fuites est en outre équipé d'un dispositif de synchronisation lequel ferme la vanne située sur la conduite d'alimentation du « fuel header », tandis qu'il force en position ouverte la vanne située sur la conduite alimentant la torchère dans l'un ou l'autre des deux cas suivants :
    • lorsque la pression dans le circuit des fuites est très haute, afin d'éviter la mise en action de la soupape située sur la conduite reliée à la sortie du dispositif d'étanchéité (et donc la mise à l'air des produits gazeux circulant dans la conduite). Pour cela, la pression de consigne de cette dernière est légèrement supérieure à la pression commandant l'ouverture de la vanne située sur la conduite d'alimentation de la torchère ;
    • lorsque la pression dans le « fuel header » est supérieure à la pression dans le circuit des fuites, on peut en effet craindre un passage des combustibles vers le système d'étanchéité.
  • Le procédé de l'invention et particulièrement avantageux dans le cas où le produit gazeux combustible est de l'hydrogène. En effet, dans le cas d'une production d'hydrogène, les pertes observées au niveau des systèmes d'étanchéité des compresseurs d'hydrogène peuvent atteindre 5 % de la production.
  • Le procédé de l'invention permet de les valoriser en tant que combustible au lieu de les perdre totalement.
  • Le procédé est avantageusement appliqué pour la récupération de produits combustibles mis en oeuvre lors de la production et/ ou du traitement de gaz de synthèse.
  • L'invention va maintenant être décrite en se référant à la figure unique jointe; d'autres caractéristiques et avantages de l'invention y apparaîtront.
  • Il doit être entendu qu'il s'agit là d'un mode de réalisation particulier de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, et que l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation.
  • La figure présente un schéma illustrant un mode de réalisation préféré de l'invention pour la valorisation des fuites de produits récupérés au niveau des dispositifs d'étanchéité des compresseurs de produit correspondant à un exemple de récupération de fuites provenant d'un compresseur d'hydrogène en application de l'invention.
  • De l'azote 1, amené via la conduite 2 et la vanne 3 est injecté dans le système d'étanchéité 4 du compresseur d'hydrogène.
  • Le mélange gazeux 5 contenant l'azote injecté et l'hydrogène issu des fuites du compresseur est récupéré au niveau du système d'étanchéité 4 et alimente la conduite 6, laquelle est équipée d'une soupape 7 destinée à prévenir une surpression.
  • La conduite 6 est une section commune aux deux conduites 8 et 9, la conduite 8 alimentant le « fuel header » 10, tandis que la conduite 9 est reliée à la torchère 11.
  • La pression dans le circuit des fuites (ensemble des conduites 6, 8, 9) est contrôlée par deux contrôleurs de pression 12 et 13 de type PIC.
  • Le contrôleur de pression 12, dit contrôleur principal actionne la vanne 14 qui contrôle l'envoi du gaz de fuite vers le collecteur de pression circuit « fuel-header », tandis que le PIC secondaire 13, réglé à une valeur de pression supérieure à celle du contrôleur 12, de 200 mbar par exemple, actionne la vanne 15 qui contrôle l'envoi de gaz vers la torchère 11.
  • La pression dans le « fuel header » est habituellement comprise entre 1 et 2 bar absolu, de préférence de l'ordre de 1,3 bar absolu.
  • Il faut cependant noter que le « fuel header » est par construction mécaniquement apte à supporter une pression pouvant atteindre 7 bars absolu, et en cas de pression excessive côté « fuel header », il pourrait y avoir reflux de gaz vers les conduites 8, puis 6, augmentant la pression de gaz dans ces conduites, ce qui peut provoquer une détérioration du système d'étanchéité du compresseur (il faut en effet noter qu'une augmentation de pression tendra à ouvrir totalement une vanne contrôlée par pression - donc les vannes actionnées par les PIC).
  • Afin de protéger le système d'étanchéité du compresseur, la conduite 6 est, ainsi que décrit ci-dessus munie de la soupape 7 .
  • Par ailleurs, on a aussi mis en place un dispositif de sécurité logique 16 fonctionnant de la manière suivante :
    • en cas de pression très élevée dans le circuit des fuites, la vanne 14 vers le « fuel header » est fermée, et la vanne 15 vers la torchère est forcée pour s'ouvrir totalement (fonctionnement en mode manuel à 100%).
    • de la même manière, lorsque le « fuel header » est à l'arrêt ou quand la pression y est supérieure à celle du gaz dans le circuit des fuites, on agit de la même façon, en fermant la vanne 14 et en forçant la vanne 15 vers la torchère 11.

Claims (6)

  1. Procédé de valorisation d'un produit gazeux combustible collecté dans le dispositif d'étanchéité (4) d'un compresseur dudit produit gazeux combustible comprenant les étapes de:
    a) alimentation du dispositif (4) d'étanchéité dudit compresseur par un flux (1) de gaz inerte,
    b) récupération en sortie dudit dispositif d'étanchéité d'un flux (5) de gaz contenant tout ou partie du flux (1) de gaz inerte de l'étape a) et tout ou partie du flux gazeux de produit combustible collecté dans ledit dispositif d'étanchéité du compresseur, pour alimenter une conduite (6) reliée à la sortie du dispositif d'étanchéité,
    c) séparation dudit flux (5) de gaz constitué par le mélange du flux de gaz inerte et du flux gazeux de produit combustible récupéré lors de l'étape b) en sortie de ladite conduite (6), en deux flux gazeux, le premier étant destiné à alimenter un collecteur (10) de combustibles relié à des brûleurs, et le second étant envoyé vers une torchère (11) pour être brûlé, l'ensemble des conduites (6, 8, 9) véhiculant les flux gazeux des étapes b) et c) constituant le circuit des fuites,
    dans lequel la pression dans le dispositif (4) d'étanchéité est maintenue à une pression supérieure à la pression de gaz dans le collecteur (10) de combustibles.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz inerte (1) alimentant le dispositif d'étanchéité est de l'azote.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la pression dans le circuit des fuites est contrôlée au moyen de deux contrôleurs de pression (12, 13), le premier (12) pilotant une vanne (14) située sur la conduite (8) alimentant le collecteur de combustibles, tandis que l'autre (13), réglé à une valeur de pression plus élevée pilote une vanne (15) située sur la conduite (9) alimentant la torchère (11).
  4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le circuit des fuites est en outre équipé d'un dispositif (16) de synchronisation lequel ferme la vanne (14) située sur la conduite (8) d'alimentation du collecteur de combustibles, tandis qu'il force en position ouverte la vanne (15) située sur la conduite (9) alimentant la torchère dans l'un ou l'autre des deux cas suivants :
    - la pression dans le circuit des fuites est très haute,
    - la pression dans le collecteur de combustibles est supérieure à la pression dans le circuit des fuites.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le produit gazeux combustible est de l'hydrogène.
  6. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à la récupération de produits combustibles mis en oeuvre lors de la production et/ou du traitement de gaz de synthèse.
EP06300438A 2005-05-17 2006-05-04 Procédé de valorisation des fuites de produits dans les systèmes d'étanchéité des compresseurs par récupération et recyclage en tant que combustible Active EP1726878B1 (fr)

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DE (1) DE602006002170D1 (fr)
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