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TURBINE A GAZ A OXYDATION PARTIELLE CATALYTIQUE.
1. Domaine technique.
L'invention concerne un procédé de turbine à gaz qui peut être adapté aux systèmes connus, ou être développé spécifiquement.
La turbine à gaz à oxydation partielle est un ensemble comprenant un compresseur d'air en un ou plusieurs étages, un ou des réacteurs d' oxydation partielle catalytique, réalisant une réaction exothermique entre l'air et le combustible, tel que le gaz naturel, et produisant un gaz combustible à température élevée, et une turbine de détente des gaz de réaction fournissant l'énergie mécanique nécessaire pour entraîner le compresseur et le générateur d'énergie électrique ou mécanique.
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1 Le gaz transitant dans la turbine de détente étant combustible, on peut, sur machine spécifique, pratiquer la détente à température constante par combustion interne du gaz au moyen de'air de refroidissement des aubes, accroissant ainsi le niveau d'énergie mécanique.
Le gaz issu de la turbine étant inflammable et chaud, sera utilisé comme combustible dans une application thermique à haute température, chaudière ou four industriel.
Les turbines à gaz connues peuvent être converties en turbines à gaz à oxydation partielle suivant l'invention.
Les performances de la turbine à gaz à oxydation partielle, convertie ou spécifique, sont nettement supérieures à celles des machines classiques, tant sur le plan du rendement énergétique que de la puissance spécifique ou du potentiel thermique récupérable.
En cas d'adaptation d'une turbine à gaz classique en turbine à gaz à oxydation partielle, on devra remplacer la ou les chambres de combustion par le ou les réacteurs d'oxydation partielle catalytique et placer une turbine de détente complémentaire pour récupérer une part de l'
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énergie absorbée par le compresseur d'air, dont le débit est excédentaire.
2. Techniques antérieures.
Les ensembles connus de turbine à gaz comportent également un compresseur d'air en un ou plusieurs étages, une turbine de détente dont les aubes sont refrodies ou non suivant la température des gaz, et un générateur d'énergie. Dans ces unités, le combustible est brûlé dans une ou plusieurs chambres de combustion.
Les débits d'air et de combustible sont réglés de manière à assurer une combustion avec large excès d'air dans la chambre de combustion, ceci afin de limiter la température des gaz brûlés à un niveau suffisamment bas pour assurer la bonne tenue des matérieux constitutifs de la turbine de détente, et en tenant compte du refroidissement éventuel interne de ces matériaux. La température maximale des gaz, comprise entre 900 et 1200 C,'nécessite une quantité d'air au moins trois fois supérieure à la quantité d'air strictement nécessaire à la combustion.
Cet excès d'air important est particulièrement désavantageux, car il nécessite la mise en oeuvre de compresseurs puissants, qui absorbent une part importante de l'énergie livrée par la turbine de détente, soit environ les deux tiers. Le rendement de conversion est donc limté.
De plus, pour une puis sance donnée de la turbine, on véhicule de très importantes quantités d'air et de gaz brûlés, ce qui impose des investissements importants en machines, en filtres, en collecteurs etc.
Les gaz brûlés résultant de la combustion avec large excès d'air sortent de la trubine à gaz à une température relativement faible, soit environ 500 C, de sorte que leur chaleur sensible ne peut être utilisée que dans un nombre restreint d'applications thermiques : production de vapeur à moyenne pression, séchage ou autres applications à faible température.
Divers procédés destinés à améliorer les performances des turbines à gaz classiques ont fait, dans le passé, l'objet de brevets : a. Le brevet GB-A-523184 de G. JENDRASSIK a pour but de limiter l' excès d'air en prolongeant la combustion depuis la chambre de
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combustion jusqu'à l'intérieur de la turbine de détente, cette combustion retardée étant obtenue par des dispositifs de mélanges partiels décrits dans le brevet. Lors de la détente, la combustion se poursuit et assure le maintien d'une température élevée dans la turbine de détente.
La réalisation des objectifs recherchés par ce brevet n'est toutefois pas possible, pour les raisons suivantes :
Les suies produites au sein de flammes de diffusion de grande longueur, même lorsque le gaz combustible est du gaz naturel, endommagent les aubes fixes et rotatives de la turbine lors de leur combustion.
Le manque d'homogénéité de température dans le corps de détente provoque des surchauffes locales inadmissibles pour les matériaux.
La turbulence créée par la rotation des aubes de la turbine de détente accélère fortement le mélange comburant-carburant et donc la combustion à l'entrée de la turbine, ce qui va à l'encontre du résultat souhaité, à savoir un retard bien distribué de la com- bustion durant toute la détente.
Ce procédé n'est donc pas réalisable en pratique et ne permet pas d'obtenir un gaz de composition stable et homogène à l'entrée de la turbine de détente. b. D'autres brevets : US-A-4197700 de C. E. JAHNIG
GB-A-759251 de Karl LEIST
FR-A-887975 de MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NURENBERG proposent de diminuer l'excès d'air global en injectant un complément de combustible en plusieurs. points de la turbine de détente pour réaliser éventuellement une détente isothermique.
Toutefois, la combustion complète de gaz combustibles additionnels au sein d'une turbine de détente est une opération difficile, vu la faible température et la présence de gaz brûlés.
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Ces procédés nécessitent un système complexe de distribution du combustible additionnel si on veut obtenir une répartition homogène et éviter toute surchauffe locale.
D'autre part, il faut pouvoir contrôler l'autoallumage, particulièrement difficile lors du démarrage ou en cas de charge partielle. L'un des brevets cités, US-A-4197700, propose d'ailleurs l'utilisation d'éléments catalytiques dans le corps de la turbine pour assurer la combustion du combustible supplémentaire injecté, tenant compte de la température modérée de l'ambiance. c. Le brevet DE-A-3413241 de B. B. C. AKTIENGESELLSCHAFT concerne une application spéciale et originale de turbine à gaz destinée à la valorisation d'oxyde de carbone et d'oxygène. Le procédé comporte l' utilisation de plusieurs compresseurs de gaz brûlés C02 et d'oxygène, d'une unité de combustion partielle du CO à l'oxygène, d'une turbine d'expansion isothermique comportant l'injection interne d'oxygène complémentaire et d'une turbine d'expansion adiabatique.
Ce système pratique l'oxydation partielle à l'oxygène de l'oxyde de carbone. Le procédé est très complexe par le nombre de machines et peu efficace, tenant compte du nombre élevé des opérations de compression (C02, 02 etc..). d. Le procédé US-A-431641 de A. J. MADGAVKAR, destiné à valoriser des gaz résiduaires à faible pouvoir calorifique, par combustion sous-stoechiométrique du gaz en présence de catalyseur d'oxydation et en injectant de l'arsenic dans le but de réduire fortement la présence d'oxyde de carbone dans les gaz brûlés.
Bien qu'applicable aux turbines à gaz, ce procédé, prévu pour brûler des gaz pauvres, ne procure pas d'amélioration aux systèmes connus et émet à l'atmosphère des éléments arsénieux polluants. e. Enfin, on doit citer le brevet belge BE-769133 du 28 juin 1971, dont l'inventeur est J. RIBESSE, auteur du présent brevet, qui décrit le principe théorique de la turbine à gaz à oxydation partielle catalytique d'hydrocarbures Ce brevet ne comporte pas de description technologique, et les caractéristiques théoriques proposées
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sont très limitées, tenant compte des importantes évolutions techniques qui ont eu lieu depuis la date de dépôt de ce brevet- 3. Exposé de l'invention.
La présente invention tend à supprimer ou à réduire les inconvénients rencontrés par les procédés antérieurs.
Comme exposé dans le brevet BE 769133 du même auteur, la turbine à gaz suivant l'invention procède au remplacement des chambres de combustion bien connues par un ou des réacteurs d'oxydation catalytique, suivant la réaction théorique CnHm + n/2 02 + N2 + nCO + m/2 H2 + N2 ; Cette réaction exothermque permet d'alimenter la turbine de détente avec un volume de gaz approprié en partant d'un débit d'air beaucoup plus faible que celui utilisé dans une turbine conventionnelle, soit un rapport volumétrique gaz turbine/air compresseur de l'ordre de 1. 5 à 1.7 au lieu de 1.02 à 1.04.
Les réactions d'oxydation partielle se réalisent utilement en présence de catalyseur de reforming dans un réacteur à lit fixe.
L'utilisation du procédé de turbine à gaz à oxydation partielle présente les avantages suivants, comparativement aux turbines classiques :
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1 - Réduction importante du débit d'air à comprimer, ce qui permet d'utiliser un compresseur d'air plus petit, ou de récupérer l'énergie de détente de l'air excédentaire dans une turbine de détente annexe, ce qui conduit à une amélioration du rendement énergétique et une augmentation de la puissance utile de la machine.
Les gaz issus du réacteur d'oxydation partielle, et donc de la turbine, sont des gaz combustibles, disponibles à température élevée. Leur combustion dans des fours et chaudières industriels procure des températures de flammes très élevées et permet donc de valoriser cette énergie à haute température, ce qui n'est pas possible avec les trubines à gaz classiques.
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- La turbine à gaz à oxydation partielle peut, comme c'est le cas pour les turbines à gaz classiques, fonctionner avec des gaz à tempéra- titre élevée en pratiquant le refoidissement des aubages au moyen d'air.
Comme le gaz transitant dans la turbine est un gaz combustible, riche en oxyde de carbone et en hydrogène, il se produira une combsution partielle interne de ce gaz avec l'air de refroidissement issu des aubes de la turbine, et la détente adiabatique bien connue de la turbine devient une détente à température constante plus efficace, tant sur le plan de la conversion énergétique que sur la plan de la valorisation de l'énergie potentielle des gaz sortant de la turbine.
Par la mise en oeuvre de pression et detempérature de cycle suffisamment élevées, par exemple 50 bars, 1200 C, on peut réaliser une combustion interne progressive et totale du gaz issu du réacteur d'oxydation partielle dans la turbine.
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1 Une telle machine permet d'atteindre des performances énergétiques inégalées, soit un rendement de conversion en énergie électrique supérieur à 60% en cycle turbine à gaz/turbine à vapeur.
Enfin, le procédé de turbine à gaz à oxydation partielle présente la particularité de ne pas produire d'oxyde d'azote, malgré les tempé- ratures élevées de cycle. t. DescriPtion- Nous décrivons ci-dessous le réacteur d'oxydation partielle catalytique, et ensuite nous montrerons son intégration dans un ensemble de turbine à gaz comprenant un compresseur et une turbine de détente.
Le réacteur d'oxydation partielle catalytique est montré à a fig 1 qui donne les représentations préférentielles de réacteurs à oxydation partielle, suivant le système de turbine à gaz, soit réacteur unique, soit réacteur multiple.
Le réacteur est constitué d'une enveloppe métallique 1, garnie de matériaux isolants et réfractaires 2. L'air issu du compresseur d'air de
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la turbine à gaz est amené par le cond"i 3, puis vers un mélangeur éjecta-compresseur 4, où sont injectés le carburant et la vapeur de réaction par le conduit 5. L'éjecto-compresseur permet de récupérer une partie de l'énergie de pression des deux fluides cités, limitant ainsi la perte de charge du circuit d'air.
Le mélange air-vapeur-gaz est ensuite dirigé vers le distributeur 6, constitué d'une pièce réfractaire perforée et distribuant le mélange d'une façon uniforme dans la masse de catalyseur 7 garnissant le réacteur, ou s'effectue la réaction d'oxydation partielle de l'hydrocarbure suivant les réactions
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CnHm + (n + m) 02 +rut2 = n C02 + m H20 + N2 exothermique CnHm + n 02 + N2 = n CO + m H2 + N2 exothermique 2 2 1 CnHm + n H20 = n CO + (m + n) H2 endothermique 2 Le choix d'une proportion correcte entre les trois fluides, hydocarbure - air-vapeur, permet de réaliser les réactions de façon à obtenir un gaz de qualité constante et de température déterminée, par exemple :
fonctionnement à 10 bars-
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1 mole CH4-3, 77 moles d'air à 300 C-1 mole de vapeur on obtient 6, 96 moles de gaz à 1000 C, dont la composition est :
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<tb>
<tb> C02 <SEP> = <SEP> 4, <SEP> 25 <SEP> CO <SEP> = <SEP> 10,0 <SEP> H2 <SEP> = <SEP> 24,5
<tb> CH4 <SEP> = <SEP> 0,12 <SEP> N2 <SEP> = <SEP> 43, <SEP> 0 <SEP> H20 <SEP> = <SEP> 18,3
<tb>
En sortant du catalyseur, le gaz de réaction chaud est dirigé vers la sortie du réacteur 8, et ensuite introduit A la turbine de détente.
Un dispositif de chauffage préalable du catlyseur ou de maintien de température 9, placé a proximité du distributeur de mélange A, permet de démarrer la turbine sans délai. Ce dispositif est soit un moyen de chauffe électrique, soit un moyen de chauffe au gaz fonctionnant à l'arrêt de la turbine par production de gaz de combustion légèrement
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réducteur. Le catalyseur 7 est un catalyseur de commerce couramment utilisé pour le reforming.
Le procédé d'oxydation partielle catalytique adapté aux turbines à gaz suivant la description ci-dessus a les avantages suivants : - Fonctionnement sans flamme, conduisant à minimiser le besoin en vapeur de réaction ainsi que les hausses de température.
- Minimum d'espaces vides conduisant à la réduction du volume des réacteurs.
Turbine à gaz à oxydation partielle La fig 2 donne une représentation de la turbine à gaz classique convertie en turbine à gaz à oxydation partielle suivant l'invention.
La machine comprend un compresseur d'air 10, dans lequel l'air filtré est aspiré en 11. L'air comprimé, qui est surabondant dans le cas de la conversdion d'une turbine existante convertie en turbine à oxydation partielle, est dérivé en deux parties : - l'une en 3 vers le réacteur d'oxydation partielle catalytique 1. Cet air réagit avec l'hydrocarbure et la vapeur injectés en 5 pour former un gaz à température élevée dans le catalyseur 7 sui-vant les réactions énoncées ci-avant.
Le gaz de réaction quitte le réacteur en 8 et est introduit dans la turbine de détente 11 où il se détend, et est ensuite évacué par le conduit 12. Ces gaz ont l1l1 potentiel calorifique très important et sont à consommer dans un four industriel pour valoriser à la fois leur pouvoir calorifique et leur enthalpie.
L'énergie mécanique fournie par la turbine de détente 11 est transférée via l'arbre 13 au compresseur 10 et au générateur 14, électrique ou mécanique.
- Quant à l'autre partie de l'air conprimé non consommé par la réaction d'oxydation partielle catalytique, elle est dérivée du compresseur 10
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par le r'onduit 15 vers la turbine de détente 16, puis le conduit 17, smt vprs l'atmosphère, soit vers un appareil thermique comme air de combustion, tenant compte de son potentiel thermique disponible.
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La turbine 16 entraîne un générateur supplémentaire 18.
Le tableau 1 si-cessous permet de comparer les performances techniques de turbines à gaz conventionnelles converties en turbines à gaz à oxydation partielle catalytique suivant l'invention.
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<tb>
<tb>
Puissance <SEP> turbine <SEP> base <SEP> HW <SEP> 1,27 <SEP> 100
<tb> Puissance <SEP> turbine <SEP> à <SEP> oxydation <SEP> partielle <SEP> mu <SEP> 2,37 <SEP> 220
<tb> TO <SEP> gaz <SEP> entrée <SEP> turbine <SEP> oc <SEP> 1000 <SEP> 1050
<tb> pression <SEP> cycle <SEP> bar <SEP> 10 <SEP> 15
<tb> TO <SEP> gaz <SEP> sortie <SEP> turbine <SEP> oc <SEP> 521 <SEP> 410
<tb> mode <SEP> refroidissement <SEP> aubes <SEP> aucun <SEP> vapeur
<tb> rendement <SEP> conversion <SEP> 0,33 <SEP> 0,49
<tb> rendement <SEP> cycle <SEP> combiné <SEP> :
<SEP> élect. <SEP> et <SEP> chaleur <SEP> 0,82
<tb> électricité <SEP> 0,455
<tb> travail <SEP> moteur <SEP> kJ/kg <SEP> air <SEP> 340 <SEP> 460
<tb> émission <SEP> NOX <SEP> aucune <SEP> aucune
<tb>
Ce tableau montre que la turbine à oxydation partielle, suivant l' invention et issue de turbines connues donne des performances intéressantes : soit augmentation de 80 à 110% de la puissance de la turbine à gaz, grâce à l', énergie plus importante développée par la tuer- bine de détente 11, ceci étant dû au débit de gaz détendu plus élevé compta tenu de sa masse spécifique plus faible et à l'apport énergétique de la turbine complémentaire récupérant l'énergie de compression de l'air en excès.
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Il faut également remarquer l'augmentation du rendement de conversion énergétique et l'élimination de la présence d'oxyde d'azote.
Ce type de machine est particulièrement bien adapté à la production simultanée d'énergie mécanique et d'énergie thermique à haute température dans des unités industrielles ne nécessitant pas de modifications structurelles, car on y substitue le combustible conventionnel par un gaz combustible chaud issu de la turbine.
Les autres caractéristiques de la turbine à gaz à oxydation partielle suivant l'invention sont les suivantes : - Développement d'un compresseur d'air de débit approprié à la turbine à gaz à oxydation partielle catalytique. Dans ce cas, on peut supprimer la turbine de détente d'air excédentaire et, de ce fait, améliorer les performances et réduire les coûts.
- Refroidissement des aubes fixes et mobiles de la turbine à gaz suivant l'invention pour fonctionnement à température élevée au-dessus de 10000C au moyen d'air issu du compresseur d'air. Cette technique est bien connue pour les turbines à gaz conventionnelles.
Dans le cas de la turbine à oxydation partielle, le gaz transitant dans la turbine est combustible, il y aura donc combustion partielle de ce gaz et modification de la caractéristique de la détente.
L'invention consiste à obtenir une détente à température constante tout le long de la détente par injection contrôlée d'air-dans les aubes.
- Augmentation de la pression du cycle de turbine à gaz à oxydation partielle jusqu'à 50 ou 60 bars, de façon à ce que la combustion progressive du gaz d'oxydation partielle au sein de la turbine de détente par l'air de refroidissement injecté dans les aubes fixes et mobiles de la turbine soit complète, soit complète, tout en maintenant une température des gaz compatible avpc la tenue des matériaux.
Le tableau 2 donne les caractéristiques de base de la turbine à oxydation partiellp spécifi. que comportant ce rleux caractéristiques de I'invention.
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Turbines à gaz à oxydation partiel. le :' Cntppresseur spécifique combustion interne à température constante.
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<tb>
<tb> pression <SEP> cycle <SEP> bars <SEP> 15 <SEP> PO
<tb> température <SEP> gaz <SEP> entrée <SEP> oc <SEP> 1050 <SEP> 1300
<tb> température <SEP> gaz <SEP> sortie <SEP> C <SEP> 1000 <SEP> 1100
<tb> PCI <SEP> gaz <SEP> sortie <SEP> turbine <SEP> 0,44 <SEP> 0
<tb> rendement <SEP> direct <SEP> de <SEP> converion <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> 0, <SEP> 41
<tb> rendement <SEP> cycle <SEP> combiné <SEP> 0,50 <SEP> 0,61
<tb> (revamping)
<tb> travail <SEP> moteur <SEP> kJ/kg <SEP> air <SEP> 800 <SEP> 1150
<tb>
L'examen du tableau 2 fait apparaître les avantages procurés par la turbine à gaz à oxydation partielle spécifique suivant l'invention, sojt :
rendement global de conversion en rénovation d'unités vapeur classique de 0,5 comparable à 0,45 pour les turbines à gaz classiques, et 0,6
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pour cycle spécifique au lieu de 0, 5.
1 Comme déjà indiqué pour les turbines à gaz converties en système à oxydation partielle, la turbine à gaz A oxydation partielle spécifique a l'avantage de produire très peu d'effluents en composés oxyde d'azote.