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PROCEDE D'OXYDATION PARTIELLE CATALYTIQUE DE COMBUSTIBLE SUR
TURBINE A GAZ DANS DES SYSTEMES ENERGETIQUES COMBINES ET
DISPOSITIF POUR SA MISE EN OEUVRE
Domaine technique.
Le d077Ulzne technique dans lequel se situent les revendications du présent brevet est celui des systèmes énergétiques dans lesquels intervient un cycle turbine (s) à gaz (de production d'énergie mécanique), en combinaison avec une valorisation de l'énergie thermique des gaz d'échappement de ce cycle ; cette valorisation se fait par production complémentaire d'énergie mécanique (cycles combinés turbine (s) à gaz-turbines à vapeur) ou non (cogénération ou production combinée chaleur-force). Nous désignons globalement ces différents systèmes par l'appellation systèmes énergétiques combinés.
Le cycle turbine à gaz classique intervenant dans les systèmes combinés chaleur/force est constitué des éléments suivants : un compresseur d'air, une chambre de combustion avec large excès d'air, et une turbine qui produit la puissance mécanique ; en aval de celle-d, seule la chaleur sensible des gaz d'échappement est à récupérer.
Dans les systèmes que nous désignons par systèmes à oxydation partielle, la combustion est certes complète, mais étagée : une oxydation partielle est d'abord réalisée avec de l'air en quantité sous-stoechiométrique et de la vapeur d'eau, dans un réacteur catalytique qui prend la place de la chambre de combustion du cycle turbine à gaz classique ; la combustion est complétée en aval de la turbine de puissance avant utilisation de l'énergie thermique des gaz d'échappement
Dans l'avenir la combustion sera poursuivie dans une turbine de puissance de conception spécifique.
Les systèmes combinés classiques sont opérationnels, bien que les problèmes de mise en oeuvre ne soient pas tous maitrisés ; ils sont perfectibles tout en gardant les mêmes principes de base. Les systèmes à oxydation partielle se fondent sur des principes ou concepts thermodynamiques, pour l'essentiel publiés ou brevetés ; ils offrent d'importantes possibilités d'amélioration des performances des systèmes énergétiques combinés. Leur mise en oeuvre n'a pas été tentée encore, faute de conception et de description technique des éléments novateurs à insérer adéquatement dans les systèmes industriels de production énergétique.
L'invention-consiste en des dispositifs technologiques indispensables à cette mise en oeuvre ; ils sont applicables dans tous les systèmes énergétiques comprenant un cycle turbine (s) à gaz, qu'il s'agisse de combiner ce cycle à un cycle turbines à vapeur ou à une valorisation thermique de l'effluent du cycle turbine (s) à gaz.
Art antérieur L'utilisation des turbines à gaz conventionnelles pour les applications industrielles proposees est bien connue et appliquée : trois exemples.
Premier exemple : si un cycle turbine à gaz est placé en amont d'un cycle à vapeur existant de centrale électrique, le rendement énergétique global d'une centrale électrique conventionnelle peut passer de 0,4 à 0,45 moyennant une modification importante du cycle vapeur, par ajout d'échangeurs économiseurs,
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opération coûteuse qui ne peut se justifier que si le coût du combustible est élevé. De plus, cette technique implique une diminution sensible de la puissance utile du cycle à vapeur. Il en résulte un gain global en puissance
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modeste, souvent insatisfaisant pour raison économique. L'objectif est d'augmenter la puissance ou"repowering"d'une centrale thermique.
Un autre exemple est celui des cycles chaleur/force, dans lesquels la turbine à gaz fournit l'énergie mécanique et les gaz d'échappement de la chaleur valorisée sous différentes formes. Dans le cas de la turbine à gaz classique-nous la qualifions ainsi par opposition à la turbine à gaz de l'invention-cette technique est intéressante là où l'énergie thermique nécessaire est à basse température, en général, au-dessous de 6000C ; mais elle n'est pas applicable là où le besoin thermique est à un niveau de température élevé, comme c'est le cas en cimenterie, verrerie, aciérie, dans certains fours....
Ces équipements en amont desquels le cycle turbine à gaz peut être mis en oeuvre, sont tous équipés de récupérateurs de chaleur pour le réchauffage de l'air de combustion ; cette chaleur ne peut plus être récupérée après la modification.
Troisième exemple, celui des cycles combinés turbines à gaz-turbines à vapeur de conception spécifique. Ces cycles font l'objet d'importants travaux de recherches-développements. Leur rendement est actuellement de 0.5-0. 53. On peut prévoir qu'il sera possible d'atteindre 0.6 environ moyennant des progrès significatifs concernant notamment la tenue des matériaux aux températures élevées.
Le présent brevet revendique une idée originale en matière de repowering.
L'adaptation à la technologie de l'oxydation partielle de turbines à gaz industrielles et de turbines à gaz de conception spécifique a fait l'objet de publications et de brevets ; le présent brevet revendique également des éléments novateurs de mise en oeuvre de cette technologie dans les cas d'application mentionnés ci-dessus.
Les principes et la faisabilité thermodynamiques de la turbine à gaz à oxydation partielle ont été proposés antérieurement. L'avènement des centrales nucléaires et d'autres facteurs tels que les possibilités de s'approvisionner en gaz naturel, n'en ont pas favorisé le développement. Mais il apparaît aussi que les brevets antérieurs ne fournissaient pas les éléments technologiques indispensables à la mise en oeuvre de ces principes.
Une revue des brevets antérieurs permettra de mieux expliciter par après les
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revendications du présent brevet ; nous référons aussi à des publications qui en fait ne font-qu'expliciter le contenu des brevets.
Publications.
Cycle de turbine à gaz comportant un réacteur d'oxydation partielle catalytique de gaz naturel, son application dans les systèmes énergie-chaleur.
J. Ribesse, Sème Conférence Mondiale de l'Energie, Bucarest 28 juin-2 juillet 1971, et dans Cas Wârme International, Bd 20-7/8 Juli/Aug. 1971.
Cycle combiné avec réacteur à oxydation partielle du combustible. J. Ribesse, A.
Jaumotte et A. De Goeyse, Entropie, 1976.
The Isotherm Partial Oxydation Gas Turbine. J. Ribesse, Dec. 90, European Journal, Vol. 36, nO 1, pp. 27-32.
Il résulte des publications que le principe de l'oxydation partielle est de réaliser une réaction exothermique et catalysée du combustible-gaz naturel par
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exemple-avec de l'air comprimé en conditions sous-stoechiométriques et une quantité limitée de vapeur, de façon à atteindre une température définie des gaz de réaction, choisie pour le cycle turbine à gaz. n en résulte un gaz de réaction composé de CO, H2, C02, H20, CH4, N2, combustible.
Les réactions engagées sont :
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CH4 + 2 02 + 8 N2- C02 + 2 H20 + 8 N2 (exoth) CH4 + 1/2 02 + 2 N2- CO + 2 H2 + 2 N2 (exoth)
CH4 + H20-CO+3H2 (endoth) Brevets.
Brevet de Distrigaz s. a. déposé le 28 juin 1971, délivré le 30 juillet 1971 par le Ministère des Affaires économiques de Belgique, appelé "Turbine", N0769133, ci- après désigné brevet de 71.
Brevet de J. Ribesse déposé le 11 octobre 89, délivré le 9 juin 92 par le Ministère
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des Affaires économiques de Belgique, appelé "Turbine à gaz isotherme à oxydation partielle", NO 08901102, ci-après désigné brevet de 89.
Brevet de J. Ribesse déposé le 27 mars 91, délivré le 19 janvier 1993, par le Ministère des Affaires économiques de Belgique, appelé "Turbine à oxydation partielle catalytique", N"09100285, ci-après désigné brevet de 91.
Le brevet de 71 revendique une nouvelle machine utilisant des éléments spécifiques, soit 2 étages de compression avec injection intermédiaire d'eau et de vapeur et un réacteur catalytique d'oxydation partielle produisant un gaz combustible détendu dans la turbine de puissance. Ce gaz d'échappement peut être consommé dans une application thermique en bénéficiant de son apport enthalpique.
Ce procédé implique la mise en oeuvre de machines de construction spécifique (compresseurs-turbines). Les éléments spécifiques du procédé ne sont pas décrits.
Le brevet de 89 décrit un système de turbine à gaz intéressant sur le plan théorique. Ce système doit être construit de façon spécifique pour l'oxydation partielle : compresseur adapté, niveau de pression plus élevé (40-150 bar), réacteur catalytique, turbine de détente isotherme par l'effet de combustion interne progressive par l'air de refroidissement des aubes.
Il s'agit en quelque sorte d'un système du futur. n ne pourra avoir une chance de voir le jour que lorsque les systèmes décrits dans le présent brevet auront largement été appliqués, dans des ensembles plus directement réalisables.
Comme c'était le cas pour le brevet précédent, il n'y a pas description des éléments spécifiques de l'invention.
Le brevet de 91 revendique la structure d'un cycle turbine à gaz à oxydation partielle : le réacteur d'oxydation est catalytique, le catalyseur est celui du reforming, un éjecto-surpresseur apparaît (mais il est déjà présent dans des publications antérieures) sans aucune précision ; il en est pratiquement de même pour un système d'allumage et de maintien de température à l'arrêt.
L'idée d'adapter l'invention à des turbines existantes est présente, comme l'utilisation d'une pression de 50-60 bar et l'utilisation de l'air de refroidissement pour obtenir une détente à température constante dans la turbine à gaz.
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Ce brevet de 91 offre l'avantage de passer d'autres brevets en revue, qui pourraient à priori s'appliquer au même domaine technique que le présent brevet, mais qui n'ont aucun point commun avec les revendications ci-après.
Les systèmes sommairement décrits dans les brevets de 71 et de 89 présentent un gros inconvénient, ils ne permettent pas la conversion des turbines à gaz commerciales disponibles et font appel à des machines qu'il faut développer spécifiquement et qui ne sont pas réalisées à ce jour.
Le brevet de 91 traite succinctement de deux des trois applications de l'oxydation partielle reprises ci-après, à savoir la transformation des turbines à gaz classiques et la turbine de détente à température constante, de conception spécifique. Ces applications sont présentées de manière théorique. Une description technologique du réacteur d'oxydation partielle est faite cependant ; celui-ci étant réalisable en une unité verticale de plusieurs générateurs périphériques ; le réacteur contient du catalyseur de reforming. Aucune des revendications du brevet de 92 ne sera reprise ci-après.
Exposé de le Invention L'invention consiste en des dispositifs technologiques revendiqués ci-après par le présent brevet ; ils sont applicables dans tous les systèmes énergétiques combinés comprenant un cycle turbine (s) à gaz.
L'invention permet dans un premier temps d'adapter les turbines à gaz commerciales de type aéronautique ou industriel à un mode de combustion sans excès d'air, de façon à améliorer les performances thermodynamiques du cycle : augmentation de la puissance mécanique disponible pour une machine donnée, amélioration de la récupération de l'énergie dans le cycle secondaire des systèmes combinés chaleur/force, la turbine adaptée fournissant un gaz combustible à température élevée.
L'invention est destinée à des applications telles que : - augmentation de puissance et des performances des cycles énergétiques des centrales électriques conventionnelles en cycle à vapeur, - cycles chaleur/force dans lesquels le cycle secondaire thermique peut être réalisé à toute température, jusqu'à 1300oC, permettant donc une utilisation de la cogénération étendue à de nombreux procédés thermiques industriels.
L'invention permet dans un deuxième temps de réaliser et de mettre en oeuvre les futures turbines à gaz isothermes dont les concepts ont déjà été brevetés (voir ci-dessus).
L'amélioration des performances résulte en fait d'une meilleure valorisation des propriétés thermodynamiques du cycle turbine (s) à gaz en évitant la dégradation énergétique des cycles classiques due à l'emploi d'un grand excès d'air. Il est en effet possible d'obtenir une même température à l'entrée de la turbine de détente avec de l'air en quantité sous-stoéchiométrique, température compatible avec les contraintes des aubages.
Le gaz de réaction obtenu par oxydation partielle est un gaz inflammable à poids spécifique plus faible que le gaz de combustion et ne contient ni oxygène, ni pratiquement d'NOX ; ce type de réaction est d'application bien connue dans la fabrication de gaz de synthèse.
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En comparaison avec les systèmes connus de turbines à gaz et pour une même turbine d'expansion, l'énergie mécanique développée par la turbine est plus élevée dans le cas de l'invention ; et l'énergie absorbée par la compression de l'air est réduite ; l'énergie mécanique utile est donc doublée.
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<tb>
A <SEP> B
<tb> classique <SEP> oxyd. <SEP> p.
<tb> rapport <SEP> volumétrique,
<tb> gaz <SEP> de <SEP> l'air <SEP> et <SEP> air <SEP> comprimé <SEP> 1,02 <SEP> 1,6
<tb> Poids <SEP> spécifique <SEP> du <SEP> gaz <SEP> 0, <SEP> 98 <SEP> 0, <SEP> 7
<tb> Puissance <SEP> dévelop. <SEP> turbine <SEP> 1,0 <SEP> 1,15
<tb> Puissance <SEP> absorbée <SEP> par <SEP> compres. <SEP> 0,65 <SEP> 0,45
<tb> Energie <SEP> mécan. <SEP> utile <SEP> 0,35 <SEP> 0,70
<tb> Composition <SEP> du <SEP> gaz <SEP> 14 <SEP> % <SEP> Oz <SEP> combus.
<tb>
Les apports technologiques spécifiques de l'invention, sont décrits ci-après pour assurer la mise en oeuvre du principe de l'oxydation partielle catalytique du combustible, de façon à ce que la réaction réalise un niveau de température recherché, non dommageable pour les aubes des turbines à gaz, sans faire appel à un excès d'air très important qui est la cause d'une limitation des performances des machines thermiques en aval.
L'implantation de l'oxydation partielle permet l'amélioration des performances des systèmes énergétiques opérationnels ; en remédiant aux manques des trois brevets mentionnés ci-dessus, l'invention permet de rendre effective la mise en oeuvre industrielle de l'oxydation partielle dans les systèmes énergétiques. C'est le cas en augmentation de puissance (repowering) de centrales thermiques à cycle vapeur existantes ; c'est le cas en adaptation des cycles turbines à gaz existants intégrés en cogénération. C'est aussi le cas des turbines à détente isotherme de l'avenir.
Par rapport aux systèmes à oxydation partielle brevetés et non disponibles à ce jour, la présente invention applique le principe de l'oxydation partielle tout d'abord dans des systèmes où interviennent des turbines aérodérivatives et industrielles lourdes, et à l'avenir à des turbines à gaz spécifiques à concevoir, trois applications revendiquées ci-après. L'invention est dès à présent le meilleur gage à ce jour de la possibilité de réalisation des cycles combinés à très haut rendement (0.63) de l'avenir. description de l'invention La présente invention comporte des éléments technologiques novateurs de mise en oeuvre de l'oxydation partielle et leur description précise.
Les figures la, 2a se réfèrent aux turbines à gaz commerciales ; la turbine aéronautique à laquelle on a adjoint une turbine de puissance. La figure 2a présente une turbine à gaz industrielle. Les figures 1 b à If sont destinées à mettre en évidence les caractéristiques de l'invention dans le cas de l'adaptation à la technologie de l'oxydation partielle des turbines aérodérivatives tant pour le repowering de centrales thermiques classiques que pour les cogénérations
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chaleur-force. Le groupe de figures 2b et 2e mettent en évidence la conversion des turbines industrielles pour intégrer la technologie de l'oxydation partielle, conversion destinée à l'amélioration des systèmes énergétiques combinés.
La figure 3 illustre l'implantation de la technologie dans les turbines à gaz de conception spécifique.
Les groupes de figures la, Ib ; 2a, 2b et 3 et leur description sont destinées à mettre en évidence les caractéristiques de l'invention. On y retrouve en 1 un compresseur, en un ou deux étages : (la et Ib sur la figure 3) : en 2, une chambre de combustion avec large excès d'air ; en 3 et en 4 une ou des turbines de détente ; en 5 un alternateur ; en 6 un éjecto-surpresseur ; en 7 le réacteur catalytique composé d'une couche inerte 7a et une couche active 7b ; en 8 un filtre ; en 9 les échappements vers le cycle à vapeur ou vers une autre forme de valorisation de l'enthalpie.
Les applications mentionnées ci-après ont en commun la plupart des éléments technologiques de mise en oeuvre, avec dans certains cas des aspects spécifiques pour les différentes applications déjà brevetées ou revendiquées dans le présent brevet : le catalyseur ; le réacteur d'oxydation partielle ; la flexibilité en matière de comburant à l'entrée du réacteur catalytique ; si la pression de ce dernier est assez faible, utilisation d'un éjecto-surpresseur exploitant la pression plus élevée du gaz combustible s'il y a lieu, servant en tout cas de mélangeur sinon ; contrôle-commande du système sur base de modèle mathématique ; méthode d'adaptation des différents éléments novateurs aux unités existantes pour former un système performant.
Les éléments technologiques caractérisés ci-dessous sont originaux, soit par euxmêmes, soit par leur implémentation au sein des applications de mise en oeuvre de l'oxydation partielle dans des cycles énergétiques combinés ou dans des cogénérations chaleur-force.
(1) Les systèmes catalytiques utilisés dans un réacteur d'oxydation partielle faisant partie d'un cycle de turbine à gaz, sont soit des métaux imprégnés sur des supports poreux : Nil A1203 activée, Pt/Zr02 (composition préférée générant très peu de dépôt de carbone), Pd/Zr02, Pt-Rh/Zr02, soit des toiles métalliques composées des métaux ci-dessus, Pt, Pt-Rh, Pt-Zr.
(2) Le support poreux du catalyseur 7b et la couche inactive 7a sont, soit monoblocs en nids d'abeilles suivant la Fig. 1.2, soit sous forme de granules à surface extérieure lisse ou cannelée, mono-ou multi-tubulaires suivant la Fig. 1. la forme multitubulaire étant préférée.
(3) Les réacteurs sont adaptés aux applications. En aval d'une turbine aérodérivative fournissant le comburant, le réacteur sera cylindrique horizontal : Fig. Ib, élément 7 vu en détail à la Fig. le sous forme de deux couches successives dont une seule comporte du catalyseur. Le réacteur pourra aussi être cylindrique vertical (silo) ou contenir une série de toiles métalliques catalytiques perpendiculaires à la direction du flux des gaz réactionnels. L'enveloppe métallique cylindrique est calorifugée ou protégée thermiquement par une double enveloppe où circule le flux d'entrée à réchauffer.
Le réacteur décrit dans le brevet de 91 pourra aussi être utilisé mais lorsqu'il sera rempli d'un catalyseur spécifique tel que défini ci-dessus, il sera revendiqué ciaprès. En outre, les dispositifs à écoulement radial des gaz réactionnels en travers de la couche inactive et du catalyseur spécifique font aussi partie de l'invention : Fig. 2d et Fig. 2f ; ils seront préférés chaque fois qu'il est crucial que la perte de charge au travers du lit catalytique soit minimale.
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Enfin, la forme du réacteur décrite par la Fig. 2b a déjà été publiée ; cependant, si ce réacteur est rempli des catalyseurs spécifiques définis ci-dessus, cette forme sera revendiquée ci-après pour les machines spécifiques de l'avenir, Fig. 3.
La forme cylindrique horizontale axiale avec catalyseur monobloc, en nids d'abeilles est préférée pour le cas du repowering de centrales thermiques, Fig. lb et le.
Les formes en silo avec toiles métalliques ou avec granules de catalyseur sont préférées dans le cas de l'adaptation des cycles turbines à gaz industrielles existantes : pas de figure présentée, car on utilisera les structures des chambres de combustion existantes qui travaillaient avec large excès d'air ; elles seront adaptées à une oxydation sans flamme.
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(4) Les formes de l'éjecto-surpresseur-mélangeur Fig. le (détail de lb) et Fig. Id sont ici clairement décrites par les figures ; elles sont de symétries axiales.
L'éjecto-surpresseur peut aussi être fait de plusieurs tuyères logées dans des enveloppes cylindriques arrimées en couronne à des collecteurs d'entrée et de sortie annulaires.
(5) Le comburant admissible, introduit dans le réacteur à oxydation partielle, sera soit l'effluent d'un turbojet, cas du repowering de centrales thermiques Fig. lb ; soit l'effluent d'un compresseur d'air, cas de l'adaptation de l'oxydation partielle à une turbine à gaz existante Fig. 2b ou à fabriquer Fig. 3.
(6) Les systèmes dans lesquels l'oxydation partielle du gaz combustible est intégrée sont complexes, plus complexes à gérer que les systèmes combinés opérationnels, ils sont caractérisés par une plage étroite de températures admissibles à l'attaque du lit catalytique, et dans celui-ci, nonobstant les variations de charge en puissance mécanique et en chaleur (quantité et niveau thermique). La méthodologie et les progiciels Belsim (validation, identification paramétrique, simulation, optimalisation, conduite optimale) sont d'application et l'ensemble de cette technologie informatique sera adapté à l'oxydation partielle.
(7) La première application originale et revendiquée ci-après est celle du repowering de centrales électriques thermiques au moyen de turbine à gaz aérodérivative et en faisant usage de la technologie de l'oxydation partielle.
Donnons d'abord une description sommaire de l'application. La Fig. lb représente un schéma du système : un turbojet qui fournit le comburant pour le réacteur en brûlant et détendant du gaz avec de l'air comprimé en large excès (les brûleurs de la chambre de combustion seront adaptés au gaz) ; un éjecte surpresseur de la forme revendiquée ci-après exploitant la pression du gaz combustible alimenté à cet endroit pour élever la pression du mélange par rapport à celle du comburant ; un réacteur d'oxydation partielle suivant une des conceptions caractérisées ci-dessus, en particulier celle qui a été caractérisée préférentiellement et contenant un catalyseur et un support si il y a lieu, choisi parmi ceux qui ont été spécifiés ci-dessus ;
un filtre de retenue du. carbone ou coke et des poussières de catalyseur, facilement amovible ; une turbine à gaz de puissance, commerciale pour compléter l'ensemble du cycle turbine à gaz particulier à cette application, cette turbine de puissance entraînant un
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alternateur ou une machine mécanique et fournissant un gaz combustible à l'échappement ; l'enthalpie de celui-ci sera valorisée ensuite dans la centrale électrique thermique dont la chaudière ne devra pas subir de croûteuses modifications du fait des températures réalisables par la combustion des gaz d'échappement de la turbine de puissance.
La description qui suit est plus détaillée et est destinée à mettre en évidence les caractéristiques de l'invention (voir Fig. 1).
Un turboréacteur est composé d'un compresseur d'air (1), d'une batterie de chambres de combustion (2), dans la (les) quelles le combustible est brûlé avec un large excès d'air issu du compresseur, de façon à atteindre une température compatible avec le système, une turbine de détente haute pression (3) fournissant l'énergie mécanique absorbée par le compresseur, ces deux machines étant solidaires sur le même arbre.
Les gaz chauds éjectés par la turbine haute pression (exemple 650 OC) sont disponibles à une pression résiduelle de 3 à 5 bar.
Rappelons que dans les systèmes classiques existants, les gaz de réaction sont détendus dans une turbine de puissance (4) et s'échappent de celle-ci à basse pression et à une température de 400 à 500 oC. Cette turbine de puissance entraîne une machine mécanique ou électrique. La puissance utile ne représente qu'environ un tiers de la puissance totale fournie par la détente totale des gaz, les 2/3 restants sont destinés à entraîner le compresseur. Les gaz d'échappement contiennent 13 à 16 % d'oxygène, tenant compte du large excès d'air utilisé à la combustion, ainsi qu'une quantité importante de gaz toxiques tels que NOX. La puissance spécifique de la turbine à gaz classique est assez limitée.
Cette puissance spécifique est représentée par le rapport entre l'énergie mécanique utile disponible et la quantité de gaz véhiculés dans le cycle.
La présente invention permet d'améliorer sensiblement les performances des systèmes connus par une augmentation importante de la puissance spécifique (elle est généralement doublée) et par la limitation drastique des émissions en NOX (pratiquement réduite à zéro à la sortie de la turbine). Elle permet en outre d'obtenir des performances inégalées dans le cadre de l'augmentation de puissance des centrales thermiques à vapeur, sans avoir à adapter ou transformer le cycle thermique des unités concernées.
L'invention adaptée aux turbogroupes décrits comporte la mise en oeuvre (voir Fig. 1 b, cA : d'un ensemble d'éjecto-surpresseurs de forme spécifique (6), alimentés en combustible haute pression-gaz naturel par exemple-à 30-50 bar et en vapeur haute pression. Ces engins statiques aspirent les gaz issus de la turbine haute pression (3) contenant de l'oxygène en excès, ils assurent un mélange homogène du gaz oxydant du combustible et de la vapeur, de façon à réaliser ultérieurement une réaction d'oxydation partielle exothermique, et permettant de récupérer l'énergie de pression de ces deux derniers fluides par augmentation de la pression du mélange. par rapport à celle du comburant.
Une forme particulière d'éjecto-surpresseur selon l'invention est représentée en Fig. le et Id.
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Elle comporte une canalisation (13), amenant le combustible et la vapeur haute pression à un conduit interne circulaire (14). Celui-ci distribue les fluides dans un injecteur à voile de forme toroïdale (10,15). en forme de secteurs tronqués, s'élargissant progressivement et comportent une section réduite (12) où la vitesse du fluide est proche de la vitesse du son, la section s'accroît ensuite progressivement.
Par ce dispositif décrit en particulier, le rendement de récupération de l'énergie potentielle des fluides à haute pression est optimalisé.
L'éjecto-compresseur peut également être réalisé suivant la Fig. Id par un élément central de forme hémisphérique, prolongé par un col formé par un cône légèrement divergent et prolongé par un cône inversé, la partie extérieure étant formée par un cône tronqué divergent.
L'invention englobe également toute autre forme d'éjecto-surpresseurs connus, valorisant l'énergie cinétique des gaz mais non encore brevetés dans le contexte du repowering de centrales thermiques.
Les gaz de mélange éjectés à haute vitesse, issus des éjecto surpresseurs traversent un lit catalytique (7) constitué par un bloc de catalyseur spécial en forme de nids d'abeilles. Le catalyseur spécifique ne produit pas de poussière ni de carbone libre, sa forme spéciale assure un écoulement avec une perte de pression faible. Il est destiné à stabiliser les réactions d'oxydation partielle du combustible, réactions qui génèrent un gaz combustible à une température contrôlée de 700 à 1000oC, par exemple 900oC. Une quantité de vapeur est injectée dans le but d'éviter la formation de suies.
Une forme particulière de masse catalytique est représentée en Fig. le (7a) et (7b).
Le catalyseur proposé est réalisé par juxtaposition d'éléments composés de canaux de section carrée ayant des dimensions comprises entre 1 et 5 mm, longueur d'un élément entre 100 et 300 mm. Ces éléments sont constitués d'un support rigide à paroi mince, résistant aux chocs thermiques et imprégnés de catalyseur composé comme décrit en (1) ci-dessus. Les supports des catalyseurs sont de haute surface spécifique ; ils sont à base d'alumine activée pour le Ni (3 à 15 % en poids) et à base d'oxyde de zirconium pour le platine (0,1 à 1 % en poids). Les supports imprégnés de catalyseur sont de haute surface spécifique.
Le réacteur catalytique peut être réalisé en 2 parties, une partie mixée non active (7a) constituée du support prévu ci-dessus et non imprégné, partie servant à distribuer les gaz réactionnels de façon homogène et à éviter le démarrage de la réaction exothermique à l'intérieur de l'éjecto-surpresseur (6).
L'invention comprend également d'autres formes de réacteurs catalytiques et d'autres masses catalytiques.
Fig. le. L'élément catalytique (7b) est composé d'un ensemble de toiles réalisées en platine, platine rhodié, et alliage Pt-Zr, palladium. (voir (1) ci-dessus).
Fig. If : le réacteur de forme cylindrique élargie remplie de granules de catalyseur d'oxydation partielle, granules de forme cylindrique, cylindrique creuse ou cannelée.
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Le catalyseur préférentiel peut être réalisé avec support en matière réfractaire ou métallique et comme matière active : nickel sur alumine activée ou platine ou palladium sur oxyde de zirconium.
L'invention englobe également toute autre forme de réacteur catalytique connu, non encore revendiquée dans le cas du repowering de centrale thermique.
A la sortie du réacteur catalytique (7), le gaz traverse un filtre haute température (8) destiné à recueillir les particules qui pourraient être entraînées accidentellement ou une couche mince de support sans matière active destinée à récupérer les éléments actifs entraînés.
Le gaz transite ensuite dans une turbine de puissance (4) entraînant un générateur ou une machine mécanique.
La turbine de puissance est un engin bien connu. Dans le cadre de l'invention, il est prévu de faire fonctionner la machine à température modérée de façon à éviter, si possible les systèmes de refroidissement des aubes de la turbine. Dans d'autres conditions, il faudra injecter de la vapeur en place de l'air dans les circuits de refroidissement.
A la sortie de la turbine de puissance, le gaz éjecté à basse pression à une température de 550 à 6000C est un gaz combustible (9) qui pourra alimenter un ensemble thermique classique tel que chaudière de centrale thermique à vapeur classique ou un équipement thermique industriel, ou encore tout type de chaudières ou four industriel fonctionnant à toute température.
Le tableau suivant donne à titre indicatif, les performances d'une turbine à gaz aérodérivative, adaptée suivant l'invention à l'oxydation partielle et appliquée au"repowering"d'une centrale thermique à vapeur d'une puissance nette de 250 MWe.
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<tb>
<tb> turbine <SEP> à <SEP> gaz <SEP> turbine <SEP> suivant
<tb> classique <SEP> l'invention
<tb> puissance <SEP> unité <SEP> thermique <SEP> MWe <SEP> 210 <SEP> 250
<tb> puissance <SEP> turbine <SEP> à <SEP> gaz <SEP> MWe <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 25 <SEP> * <SEP> 57 <SEP> *
<tb> puissance <SEP> totale <SEP> MWe <SEP> 260 <SEP> 307
<tb> consommation <SEP> combustible <SEP> MWth <SEP> 577 <SEP> 697
<tb> augmentation <SEP> puissance <SEP> MWe <SEP> 10 <SEP> 57
<tb> rendement <SEP> de <SEP> conversion <SEP> 0.44 <SEP> 0.44
<tb> NOX <SEP> mgr/m3 <SEP> 100 <SEP> 10
<tb> coût <SEP> de <SEP>
transformation <SEP> du
<tb> cycle <SEP> thermique <SEP> élevé <SEP> faible
<tb>
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* Usage de deux turbines à gaz ; ** une seule turbine à gaz de même type à adapter
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Les systèmes thermiques qui comportent généralement des récupérateurs de chaleur n'ont pas à être modifiés : le coût d'adaptation est donc très limité. De plus, le fonctionnement est réversible à tout moment et permet le retour à la situation antérieure.
Le procédé suivant l'invention présente un avantage technique et économique particulièrement intéressant, notamment pour l'exemple illustré par les chiffres du tableau, la puissance spécifique de la turbine est plus que doublée. Un gain important en puissance de la centrale de plus de 22 %, valeur à comparer à 10 % pour la turbine à gaz classique, un coût de conversion très faible et une production de NOX pratiquement éliminée.
La turbine à gaz d'origine aérodérivative ne subit, dans le cas de l'invention, aucune transformation.
(8) La deuxième application concerne la conversion de turbines à gaz industrielles classiques n est possible de convertir toute turbine à gaz classique à l'oxydation partielle suivant l'invention dans le cadre des applications industrielles évoquées relatives aux turbojets.
Cette adaptation nécessite toutefois des modifications à apporter à la turbine à gaz d'origine, voir figure 2d.
La turbine à gaz industrielle est constituée d'un ensemble comportant un compresseur d'air (1), une ou des chambres de combustion (2), figure 2dl ou figure 2cl, dans la ou lesquelles le combustible est brûlé avec large excès d'air et une turbine de détente (3) fournissant l'énergie mécanique absorbée par le compresseur d'air et par une machine réceptrice (5) tel qu'un alternateur.
La mise en oeuvre de l'oxydation partielle suivant l'invention implique trois modifications importantes et des améliorations de performances décrites ciaprès : a) le remplacement des chambres de combustion (2), équipant la turbine à gaz par un réacteur d'oxydation partielle suivant les figures 2b et 2c.
Ce réacteur comprend un ou des éjecto- surpresseurs (6) alimentés en combustible haute pression-gaz naturel par exemple-et en vapeur. Un réacteur catalytique (7) dont la forme est représentée sur les figures 2b et 2c, de forme périphérique contenant un catalyseur spécifique en forme de nid d'abeille, pour assurer une rigidité suffisante et une faible perte de charge.
Suivant un mode particulier de l'invention, le réacteur comprend un éjecto- surpresseur radial (6), dont la forme est représentée en (6) figures 2b et 2c, constitué par un éjecteur à voile de forme toroïdale (15), alimenté en combustible et vapeur sous pression. L'éjecto-surpresseur comporte un col (12) assurant une vitesse d'écoulement proche de la vitesse du son, puis la section de l'éjecto-surpresseur s'accroît de façon à récupérer l'énergie de pression.
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section de l'éjecto-surpresseur s'accroit de façon à récupérer l'énergie de pression.
Une autre forme d'éjecto-surpresseur comporte une batterie d'éléments orientés de façon radiale.
Le réacteur catalytique (7) est constitué d'un assemblage d'éléments catalytiques en forme de nid d'abeille dont les éléments sont constitués de canaux rectangulaires de dimension 1 à 5 mm de côté. Le réacteur catalytique est donc réalisé sous forme d'un anneau entourant la turbine à gaz.
Les éléments catalytiques sont divisés en deux parties, 7a et 7b figure 2c. Les éléments (7b) sont imprégnés de masse catalytique constituée d'alumine activée et de nickel, 5 à 15 %, ou des autres matières actives citées ci-dessus.
Les éléments (7a) ne sont pas imprégnés de masse catalytique, ils sont destinés à distribuer le gaz de mélange uniformément sur la surface catalytique et également à empêcher le démarrage des réactions exothermiques dans l'éjecto-surpresseur 6.
D'autres formes de réacteurs d'oxydation partielle peuvent être utilisés également suivant la forme originale des chambres de combustion.
Premier exemple : une forme de silo (1 ou 2) figures 2d2 et 2d3. Dans ce cas, on utilise préférentiellement un réacteur en forme de 2 cônes renversés, figure 2d2 contenant du catalyseur en forme de nid d'abeilles maintenu par grilles. Ces réacteurs contiennent également un éjecto-surpresseur périphérique (6), figure 2c, et un injecteur toroïdal 15 alimenté en gaz sous pression.
Une autre forme de réacteur vertical est représentée à la figure 2d3 et comporte une alimentation périphérique en air comprimé, un éjecteur-mélangeur (6), et une couche de catalyseur de reforming classique (7) tel qu'utilisé en chimie pour reforming secondaire. Dans ce cas, il se produira une flamme à la sortie de l'éjecteur 6.
Deuxième exemple : batterie de combusteurs cylindriques placés en oblique tout autour de la turbine à gaz ; figure 2c1 représente un tel combusteur.
Ces combusteurs seront remplacés par des réacteurs d'oxydation partielle catalytique suivant la figure. 2c1 et 2c3 et comporte une alimentation périphérique en air comprimé et les dispositifs éjecto-surpresseurs (6) alimentant en mélange non enflammé les masses catalytiques (7) soit en nids d'abeilles, figure 2e2 ou catalyseur de reforming en vrac, figure 2e3.
A la sortie du catalyseur (7b), les gaz traversent un filtre (8) destiné à recueillir les particules qui seraient émises accidentellement.
Le dimensionnent précis du réacteur (7) figure 2b, est défini par les caractéristiques de la turbine à gaz à convertir à l'oxydation partielle.
Le gaz de réaction généré à la température définie traverse la turbine de détente (3) en générant de l'énergie mécanique en quantité fortement augmentée par rapport à la situation initiale.
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b) Le compresseur d'air d'une turbine à gaz classique débite une masse d'air trop élevée pour assurer le fonctionnement en mode d'oxydation partielle.
L'invention comprend donc la mise en oeuvre d'une turbine de détente complémentaire (14) fig. 2b, dérivant l'air produit en excès par le compresseur (1) et récupérant ainsi l'énergie mécanique consommée en excès par ce compresseur. L'air détendu peut être utilisé comme comburant pour une application thermique. c) Le refroidissement des aubes de la turbine à gaz se fait généralement au moyen d'air circulant dans les aubes provenant du compresseur d'air.
Dans le cas d'application de l'invention, on remplace l'air de refroidissement par de la vapeur en quantité moindre. Ceci permet d'économiser cet air de refroidissement et d'éviter la combustion interne causée par le gaz combustible dans la turbine, combustion non prévue pour les machines classiques. d) La puissance dégagée par la turbine sera augmentée sensiblement tenant compte d'un volume de gaz augmenté, le gaz ayant un poids spécifique nettement plus faible, environ 20 %, les paramètres de base, pressions et températures restant identiques.
Il sera nécessaire d'augmenter la puissance de récepteur mécanique ou de l'alternateur pour absorber la puissance supplémentaire.
L'ensemble de ces transformations suivant l'invention sur une turbine industrielle existante conduit à une puissance nette totale plus que doublée, tenant compte de la puissance récupérée sur la turbine d'expansion de l'air et de l'augmentation de la puissance de la turbine.
Le tableau 2 suivant donne les performances d'une turbine à gaz industrielle classique adaptée suivant l'invention au"repowering"d'une centrale thermique à vapeur d'une puissance de 250 MW électrique.
EMI13.1
<tb>
<tb> turbine <SEP> à <SEP> gaz <SEP> turbine <SEP> industrielle
<tb> classique <SEP> convertie <SEP> invention
<tb> puissance <SEP> unité <SEP> thermique
<tb> vapeur <SEP> MWe <SEP> 210 <SEP> 240
<tb> puissance <SEP> turbine <SEP> à <SEP> gaz <SEP> MWe <SEP> 2 <SEP> x <SEP> 25 <SEP> 130
<tb> puissance <SEP> totale <SEP> MWe <SEP> 260 <SEP> 370
<tb> consommation <SEP> combustible <SEP> MWth <SEP> 577 <SEP> 787
<tb> augmentation <SEP> puissance <SEP> MWe <SEP> 10 <SEP> 120
<tb> rendement <SEP> de <SEP> conversion <SEP> 0.44 <SEP> 0.47
<tb> NOX <SEP> mgr/m3 <SEP> 100 <SEP> 5-10
<tb> coût <SEP> de <SEP> transformation <SEP> élevé <SEP>
moyen
<tb>
Le procédé de conversion de turbines à gaz industrielles suivant l'invention est assez avantageux dans le cas d'adaptation aux centrales thermiques à vapeur et en cycle énergie-chaleur, gain de puissance de 40 à 50 %.
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Cette adaptation nécessite toutefois la réalisation de transformations à effectuer sur la turbine à gaz d'origine.
De même, la puissance spécifique de la turbine est plus que doublée ce qui permet un coût de fabrication réduit. La quantité d'air total à comprimer est proche du rapport stoechiométrique au lieu de trois fois ce rapport dans les turbines avancées connues.
Le tableau 3 ci-dessus donne les performances d'une telle turbine en cycle combiné gaz-vapeur et en cycle triple gaz-air-vapeur.
EMI14.1
<tb>
<tb>
Tableau <SEP> 3
<tb> gaz/vapeur <SEP> gaz/air/vapeur
<tb> t <SEP> entrée <SEP> turbine <SEP> (OC) <SEP> 1250 <SEP> 1250
<tb> rapport <SEP> de <SEP> compression <SEP> 45 <SEP> 45
<tb> t'l <SEP> sortie <SEP> turbine <SEP> 10500 <SEP> C <SEP> 10500C
<tb> t <SEP> pour <SEP> cycle <SEP> secondaire <SEP> 1050 <SEP> 1050
<tb> to <SEP> pour <SEP> cycle <SEP> tertiaire <SEP> - <SEP> 5250
<tb> cycle <SEP> à <SEP> vap. <SEP> P/T, <SEP> pression <SEP> 120/40/6 <SEP> 40
<tb> température
<tb> 560/560 <SEP> 450
<tb> cycle <SEP> à <SEP> air, <SEP> pression-40/6, <SEP> 8
<tb> cycle <SEP> à <SEP> air, <SEP> t -950
<tb> combustible <SEP> MWth <SEP> 100 <SEP> 100
<tb> puissance <SEP> nette <SEP> turb.
<SEP> gaz <SEP> 40 <SEP> 40
<tb> puissance <SEP> nette <SEP> cycle <SEP> air-15, <SEP> 6
<tb> puissance <SEP> nette <SEP> cycle <SEP> vapeur <SEP> 21 <SEP> 9,4
<tb> puissance <SEP> nette <SEP> totale <SEP> MW <SEP> cl <SEP> 61 <SEP> 65
<tb> rendement <SEP> net <SEP> de <SEP> conversion <SEP> 0,61 <SEP> 0,65
<tb>
(9) La troisième application concerne la turbine à gaz à oxydation partielle de conception spécifique figure 3.
Une turbine à gaz spécifique suivant l'invention est composée d'un compresseur d'air en un seul ou deux étages, la, lb, avec dans le cas deux étages , un refroidissement intermédiaire par injection d'eau, de réaction (5).
Un réacteur d'oxydation partielle catalytique de conception spécifique (7), (déjà décrit dans la deuxième application dans lequel l'air à haute pression réagit par oxydation partielle avec le combustible et la vapeur injectés à haute pression. Le gaz de réaction issu du réacteur haute pression et à température contrôlée est détendu dans la turbine (3). Il faut remarquer que le gaz issu du réacteur est un combustible, sa concentration en CO et H2 est élevée.
En cas de fonctionnement de la turbine à température supérieure à 1000oC, il est nécessaire de refroidir les aubes statoriques et rotoriques. Ce refroidissement suivant l'invention est réalisé de façon conventionnelle par injection interne d'air dans les aubes, assurant une température modérée de celles-ci. Cet air de refroidissement rejeté à l'intérieur de la turbine réagit avec le gaz provenant du réacteur et participe à la combustion progressive de celui-ci.
La détente du gaz suit donc un mode isotherme suivant les paramètres de fonctionnement de la turbine choisis température, pression, quantité de vapeur ajoutée à la réaction ; le gaz rejeté par la turbine est complètement brûlé et est
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disponible à température très élevée ce qui facilite ultérieurement la valorisation de son potentiel énergétique.
Le choix optimal de ces paramètres oriente le système vers des pressions élevées
40-60 bar.
L'air de refroidissement provient du compresseur d'air (la, Ib) et est amené par des conduits internes (a, b) aux aubes rotoriques et des conduits externes c aux aubes statoriques à la pression requise.
La présente invention permet d'améliorer fortement les performances connues des turbines à gaz les plus avancées : - soit un rendement de convection directe en énergie mécanique de 0,40 à 0, 45- au lieu de 0, 35-0, 38 et un rendement de conversion en cycles combinés de 0, 62-
0,65 au lieu de 0, 50-0, 55.
Figures Fig. la : turbine de base lb adaptation turbine aérodérivative le : éjecte surpresseur et forme de réacteur préférentiels Id : autre version de l'éjecto surpresseur le, If : variante du réacteur catalytique (toiles métal noble : le et lit fixe à granules de catalyseur : If) Fig. 2a : turbine industrielle classique
2b : adaptation préférentielle de turbine à gaz industrielle
2c : détail de la forme préférentielle du réacteur
2d : conversion du combusteur type silo : 2dl, deux alternatives de conversion : 2d2 et 2d3
2e : conversion des combusteurs périphériques : existants : 2el ; deux alternatives de conversion : 2e2 et 2e3 Fig. 3 : turbine à oxydation partielle de conception spécifique.