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La dissociation Moléculaire du CO2 par Plasma appliquée à la production d'énergie, de carburant et au traitement des déchets urbains A. Introduction B.I. La Technologie
II. Description de principe d'une installation
1. Réception des déchets et classification
2. Préparation des déchets en vue de leur introduction dans le réacteur a) Criblage b) Tambour magnétique c) Broyage d) Séchage e) Densification
3. Le réacteur a) Description b) Démarrage du réacteur c) Fonctionnement continu du traitement des déchets 1. Les déchets ménagers objet du traitement
2. Densification
3. Gazéification
4.
Exemples - Production d'électricité par Turbine - Vapeur - Combustion du gaz de synthèse - Production d'électricité par Turbine - Gaz - Vapeur - Extraction de H2 du gaz de synthèse - Electrolyse de l'eau - Reforming plasmatique du méthanol
4. Revendications
5. Dessins (5)
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A. Introduction Ce brevet a pour but de développer une technique nouvelle de production d'électricité, d'hydrogène et de méthanol à partir d'un gaz ou mélange de gaz, C02, C02 + CH4, CH4 + H20, ou tout autre gaz ou mélange qui par dissociation moléculaire peut être transformé en CO et/ou H2, utilisé au titre de matière première.
Elle a été étudiée en vue de son application au traitement des déchets urbains et combustibles médiocres.
B. I. La technologie La technologie du plasma permet l'obtention de températures extrêmes jusqu'à 20- 25000 C qu'aucune autre technologie ne peut produire. Lorsqu'un gaz est chauffé à ces températures élevées, ses propriétés changent.
Au-dessus de 2000 C, les molécules de gaz commencent leur dissociation et le gaz évolue vers un état atomique.
A 3000 C, les molécules sont complètement dissociées et les atomes perdent progressivement leur (s) électron (s). Le gaz est ionisé. L'énergie transportée par ce gaz ionisé peut être utilisée pour plusieurs types d'applications telles que : chauffage, gazéification, réactions chimiques diverses qui peuvent s'effectuer dans et autour du plasma.
Les applications de la chaleur du plasma, déjà en application, utilisent de l'air comme gaz plasmagène pour obtenir la gazéification des déchets. Cette technique, introduisant dans le réacteur de l'oxygène contenu dans l'air, provoque la combustion d'une partie du CO et du H2 contenus dans le gaz de synthèse résultant de la gazéification des déchets. Cette technique réduit d'autant les performances du procédé.
La nouvelle technique proposée veut faire appel à toutes les possibilités du plasma tout en protégeant l'environnement par l'utilisation de gaz à effet de serre.
Appliquées au traitement de combustibles médiocres : lignite, tourbe, schlamms, déchets urbains ou biomasse, ces hautes températures permettent leur dissociation moléculaire en même temps que celle du gaz plasmagène. Cette dissociation moléculaire donne accès à des transformations chimiques qui permettent la gazéification instantanée de tous les déchets et la formation d'un gaz de synthèse
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hautement énergétique. Sans recourir à l'oxygène, toutes formes de fumées, de cendres ou autres produits sont éliminés.
Appliquée au traitement de déchets, aussi bien organiques qu'inorganiques, voire de gaz actuellement rejetés dans l'atmosphère, la technologie décrite se déroule selon six phases. a) A partir d'un gaz, ou mélange de gaz, formation d'un autre gaz à haute énergie calorifique et haut pouvoir réducteur. b) Dissociation des composés organiques en gaz de synthèse. c) Injection dans le circuit du traitement des produits liquides, solides ou gazeux, chauffés ou non, destinés à augmenter les quantités de CO et/ou H2 contenus dans le gaz de synthèse ainsi produit. d) Contrôle des températures de réactions tant à la gazéification, à la production d'électricité qu'à la transformation des gaz d'échappement de l'installation Turbine - Gaz - Vapeur en méthanol par l'injection de produits liquides, solides ou gazeux, chauffés ou non, dans le circuit considéré.
e) Extraction éventuelle d'une part importante du H2 contenu dans le gaz de synthèse. f) Dissociation des composés inorganiques (métaux - verres - toxiques) par leur fusion dans un plasma à + de 3000 C. Certains produits dont le point de fusion de 2800 C, se retrouvent alors sous forme de lave, vitrifiée par refroidissement brutal.
II. Description de principe d'une installation.
A. Organisation industrielle.
L'organisation d'une unité industrielle s'articule autour de quatre zones : 1. Réception des déchets et classification éventuelle.
2. Préparation des déchets en vue de leur introduction dans le réacteur.
3. Gazéification des déchets et épuration éventuelle des gaz.
4. Production d'énergie.
1) Réception des déchets et classification.
Ceux-ci arrivent par camion, récoltés en sacs plastiques ou en vrac. Selon leur nature, ils seront orientés vers les fosses de réception ou vers une zone de stockage.
Prélèvement d'un échantillon.
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2) Préparation des déchets en vue de leur introduction dans le réacteur. a. Criblage.
Le criblage consiste en une opération de déchiquetage des sacs poubelle par le procédé bien connu mis en oeuvre par la Région Wallonne dans la méthanisation des déchets. Les sacs de déchets sont introduits dans des cylindres tournants pourvus de dents -couteaux chargés de déchirer les sacs afin de libérer les déchets. b. Tambour magnétique.
A la sortie du déchiquetage, les déchets sont étalés sur une courroie transporteuse passant sous un séparateur magnétique. Cette opération a pour but de retirer les parties métalliques qui pourraient perturber les opérations suivantes, tels extincteurs de voiture, bombes de laque, ... c. Broyage des déchets.
Cette opération s'effectue dans un broyeur type broyeur à marteaux ou autre et a pour but principal de réduire les déchets en grains afin d'assurer leur densification. d. Séchage.
Le gaz issu de la gazéification présentant une température élevée, de l'ordre de 1500 C, est porteur d'une chaleur sensible importante. L'utilisation ultérieure de ce gaz n'est possible qu'après refroidissement de celui-ci à des températures de l'ordre de 50 C. Le gaz de synthèse à 1500 C est introduit dans un échangeur thermique type chaudière à tuyaux d'eau produisant de la vapeur. Cette vapeur détendue dans une turbine à vapeur, produit de l'électricité avec le rendement bien connu, 36%. Reste 64% de la chaleur sensible du gaz. Récupérée à la sortie de la turbine vapeur, elle permettra le séchage d'une certaine quantité de déchets afin de ramener son taux d'humidité à 10%. e. Densification.
Les déchets contenant 10% d'humidité sont introduits dans une presse à vis qui en assure la densification. Pendant la durée des traitements précédents, l'analyse de l'échantillon prélevé à l'arrivée des déchets permet de prévoir, avec une bonne précision, la composition du gaz de synthèse. En fonction de celle-ci, une certaine quantité de coke sera mélangée aux déchets afin d'obtenir un maximum de CO et un minimum de H20 dans le gaz de synthèse.
La presse à vis assurera, en plus de la densification des déchets, l'extraction de l'air qu'ils contiennent, afin de pouvoir réaliser une gazéification sans oxygène ni azote.
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3) Le réacteur. a) Description (fig. 1) Alimenté en sa partie supérieure par les déchets densifiés dans la presse à vis, il est équipé dans sa partie inférieure d'un certain nombre de torches plasma en fonction des quantités traitées chaque heure. Les torches plasma peuvent être remplacées par des électrodes en graphite.
La cuve inférieure reposant sur la sole est occupé par un laitier résultant des matières inorganiques contenues dans les déchets et non gazéificables. A la mise en route du gazéifieur, ce laitier est remplacé par une certaine quantité de scories solidifiées provenant du laitier de fours électriques de fonderie qui sera introduit dans le réacteur via la presse à vis.
On préfèrera un laitier type acide qui coule à 1500 C à un laitier basique qui pour la même fluidité exige une température de 1700 C.
En contrôlant l'énergie électrique appliquée à (aux) torche (s) alimentée (s) enC02 comme gaz plasmagène, nous obtenons :
EMI5.1
Les torches plasma seront du type à électrodes ou induction prévoyant un gaz dit de protection C02 comme indiqué fig. 2. Ce gaz de protection créera une légère dépression à la sortie de l'arc plasma favorable à sa stabilisation et projettera le C (sol) sous forme de suie sur le tas de scories solidifiées tout en assurant une atmosphère riche en C02 qui limitera la montée en température lors du démarrage.
Du coke sera aussi introduit par la presse à vis à raison de 12gr par môle de C02 utilisé comme gaz plasmagène, ce qui portera la teneur en C (sol) présent sur les scories à 24gr par môle de C02 plasmagène. Puisqu'un corps solide ou liquide ne brûle pas, seules les vapeurs qui le surmontent sont susceptibles de s'enflammer, un brûleur à gaz ou au méthanol (B sur fig. 4) devra, à la mise en route, apporter les calories nécessaires à la gazéification des 24gr C (sol) provoquant :
EMI5.2
C (sol) + calories - C (gaz) D'où 2 C (gaz) + 02 (gaz) -i 2 CO (gaz) + 553000 Cal. et de là l'auto-entretien de la réaction.
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Compte tenu de l'énergie fournie : à la torche plasma sous forme électrique 393,7 kj = 94000 Cal. par la réaction de combustion du C (sol) et en fonction : * des pertes par les parois, * de la chaleur sensible recherchée, nous pourrons déterminer : * le nombre de môle C02 plasmagène, * le coke à introduire par la presse à vis, * la quantité de C02 et /ou H20 à injecter dans le réacteur afin de limiter la température de la chaleur sensible créée à 1773 K.
Les calories nécessaires : * à la gazéification de C (sol) * la fusion des scories de laitier sont fournies par les brûleurs au gaz ou méthanol.
Deux gargouilles, chauffées par induction, assurent le niveau du laitier en fusion dans le réacteur.
La gargouille supérieure assure l'écoulement de l'excès de scories de faible densité qui flotte à la surface du laitier. Ces scories légères sont dirigées vers un bassin d'eau où elles sont refroidies brutalement en s'y vitrifiant.
La gargouille inférieure assure l'écoulement de ce genre de fonte et des scories plus lourdes aux moments opportuns, notamment vidange totale pour entretien.
Les gaz chauds ainsi produits traverseront un échangeur thermique (fig.l). Ils y cèderont leurs calories produisant ainsi une vapeur qui sera détendue dans une turbine vapeur entraînant un alternateur qui produira de l'électricité permettant une auto- alimentation des torches plasma.
En co-génération, la vapeur récoltée à la sortie de la turbine alimentera le séchage de déchets afin de ramener la teneur en H20 de 40 à 10%.
Dans l'exemple donné ci-dessous, les 30 tonnes brutes d'ordures ' contiennent 18 T MS + 12 T H20 seront réduites à 20 T contenant 18 T MS + 2 T H20.
A la sortie de l'échangeur thermique, les gaz seront traités, lavés et lors du démarrage seront enrichis en CH4 en vue de la mise en route de l'unité Turbine - Gaz - Vapeur qui elle aussi produira de l'électricité.
Ce sont les gaz d'échauffement de la chambre de combustion de la TGV qui seront traités pour obtenir le méthanol.
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1. Les déchets ménagers : objet du traitement.
Selon les documents communiqués par la Direction Générale des Ressources Naturelles et de l'Environnement de la Région Wallonne, la poubelle moyenne serait composée de :
EMI7.1
<tb> Verres <SEP> 4,43 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Papiers <SEP> - <SEP> cartons <SEP> 14,35 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cartons <SEP> boissons <SEP> - <SEP> plastiques <SEP> 9,08 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Métaux <SEP> 3,07 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Textiles <SEP> 11,56 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Résidus <SEP> non <SEP> classés <SEP> 4,47 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Matières <SEP> organiques <SEP> - <SEP> déchets <SEP> verts <SEP> 39,53 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Déchets <SEP> spéciaux <SEP> 0,92 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fines <SEP> 12,
60 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Humidité <SEP> 40 <SEP> % <SEP>
<tb>
2. Densification.
Les déchets contenant 10% d'humidité sont introduits dans une presse à vis qui en assure la densification. Pendant la durée des traitements précédents, l'analyse de l'échantillon prélevé à l'arrivée des déchets permet de prévoir, avec une bonne précision, la composition du gaz de synthèse. En fonction de celle-ci, une certaine quantité de coke sera mélangée aux déchets afin d'obtenir un maximum de CO et un minimum de H20 dans le gaz de synthèse.
La presse à vis assurera, en plus de la densification des déchets, l'extraction de l'air qu'ils contiennent, afin de pouvoir réaliser une gazéification sans oxygène ni azote.
La presse à vis est équipée d'un manteau chauffant permettant d'adapter la température de chauffage aux caractéristiques (nature, humidité, taille) des déchets.
Une soupape anti-retour permettra l'introduction des déchets dans le réacteur sans perte de pression.
3) Gazéification des déchets.
Le réacteur Les déchets introduits par la presse à vis à la partie supérieure du réacteur, tombent dans le laitier en fusion à 1773 K où ils sont gazéifiés. (fig. 3) Dans un cas normal, il s'agirait d'une gazéification en gaz inerte mais l'instabilité dans la composition des déchets peut dans certains cas nécessiter l'introduction de gaz
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dans la poche supérieure. Il s'agira en l'occurrence d'un gaz ou d'un mélange de gaz constitué par CO, CH4, C02, H2, H20, CH30H... soit des gaz permettant d'augmenter la teneur en CO et H2 du gaz final. Dans ce cas le gaz plasmagène injecté via les torches plasma peut ne pas être de même nature. Ce gaz ou mélange de gaz pouvant être chauffé ou non.
Un balayage du plasma peut être obtenu par l'alimentation de trois torches en courant alternatif triphasé créant ainsi un champ tournant à la même fréquence que le courant d'alimentation.
4) Exemple Traitement de 20T d'ordures à l'heure.
Compte tenu des expériences précédentes où les déchets étaient chauffés par un plasma alimenté par 10118 kg AIR (2.254 kg 02 + 7.865 kg N2) préchauffé à 533 C comme gaz plasmagène et par l'injection de 2.806 kg 02 par des tuyères appropriées, le gaz de synthèse avait la composition suivante :
CO = 16.275 kg C02= 1.078 kg
N2 = 8.764 kg
H2 = 711 kg H Cl = 308 kg
H2S = 32 kg
H20 = 5.544 kg Cette composition résultait aussi de l'introduction de 1076 kg de coke dans le réacteur.
Tandis que le laitier répondait à l'analyse :
MgO= 32,2 kg
Ti02 = 19,5 kg
Cr203 = 78 kg A1203 = 170,5 kg
Si02 = 242 kg
FexOy = 91 kg
CaO= 295,6 kg
Na20 = 43 kg
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Cette composition du laitier résultait de l'introduction de 98 kg CaO. Si ce traitement avait été effectué de façon pyrolytique, sans addition d'02 ni de N2, la composition du gaz aurait été :
CO = 17.878 kg
N2= 899 kg H2 = 1.327 kg
HC1= 308 kg
H2S = 32 kg Pour autant que l'ajout de coke soit passé de 1076 kg à 1469 kg.
A 1773 K, la chaleur sensible de ce gaz s'élèverait à 19.953.397 KCal et la chaleur sensible de ce laitier s'élèverait à 791.881 KCAl.
Si nous voulons produire, grâce à la chaleur sensible du gaz de synthèse, par l'intermédiaire d'une turbine vapeur (n= 0,36) 10 MW électriques, nous devrons couvrir :
EMI9.1
<tb> 10 <SEP> MW <SEP> électriques <SEP> 24. <SEP> 000.000 <SEP> KCal
<tb>
<tb> laitier <SEP> 800. <SEP> 000 <SEP> KCal
<tb>
<tb> Epuration <SEP> des <SEP> gaz <SEP> 500 <SEP> K
<tb>
<tb> Pertes <SEP> diverses <SEP> estimées <SEP> à <SEP> 10% <SEP> du <SEP> total.
<tb>
Epuration des gaz L'épuration des gaz se fait par le procédé NEUTREC mis au point et breveté par SOLVAY qui permet de préserver la qualité de l'air. A des températures de l'ordre de 500 K, ce procédé permet l'épuration maximale des gaz ainsi que le recyclage des produits résultant de l'épuration, sans aucun transfert de pollution vers l'eau ou le sol.
Le procédé est basé sur l'injection à sec de bicarbonate de sodium finement broyé dans les gaz à épurer.
Ce bicarbonate de sodium neutralise les acides avec une très grande efficacité.
Moyennant l'injection combinée de charbon actif ou de coke de lignite, les gaz sont également épurés en métaux lourds et en dioxine/ furanes éventuels. Les produits de la neutralisation des acides sont des sels sodiques (Na Cl, Na2S, Na2C03) qui sont recyclés chez Solvay à 500 K, le gaz composé :
CO = 17.878 kg
N2 = 899 kg H2 = 1.327 kg
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HCl= 308 kg
H2S = 32 kg C02 = x kg aura une chaleur sensible de (5.099.487 + 124,182 x) KCal à 1.773 K. Ce même gaz aura une chaleur sensible de (21.276.426 + 610 x) KCal.
Nous voulons 21.276.426 + 610 x = 24. 000.000 + 5. 099.487 + 124,182 x x = 16.104 kg C02 d'où à 1.773 K une chaleur sensible de 31.099.866 KCal à 500 K une chaleur sensible de 7.099.314 KCal Nous devrons donc couvrir :
EMI10.1
<tb> 10 <SEP> MW <SEP> électriques <SEP> + <SEP> Epuration <SEP> des <SEP> gaz <SEP> 31.099.866 <SEP> KCal
<tb>
<tb> laitier <SEP> 800.000 <SEP> KCal
<tb>
<tb> pertes <SEP> diverses <SEP> estimées <SEP> 10% <SEP> 3.544.430 <SEP> KCal
<tb>
<tb> Total <SEP> 35.444.295 <SEP> KCal
<tb>
Dissociation du CO2 2. 464 kg C02 + 5.266,83 KW - 672 kg C (sol) +1.792 kg 02 (gaz) en injectant 672 kg C(sol) Suite à l'action des brûleurs à gaz ou méthanol 1.344 kg C(sol) # 1.344 kg C(gaz) et 1.344 kg C (gaz) +1.792 kg 02 (gaz) # 3.136 kg CO (gaz) + 30.968.000 KCal.
Soit un total : 30. 968.000 + 5.266,83 x 860 = 35.497.473 KCal.
Le gaz de synthèse sera alors :
CO 17.878 + 3.136 = 21.014 kg
C02 16.104 kg
N2 899 kg
H2 1.327 kg
H CI 308 kg
H2S 32 kg avec une chaleur sensible de 31.509.927 KCal à 1.773 K avec une chaleur sensible de 7.194.702 KCal à 500 K Echangeur thermique L'échangeur thermique sera prévu pour extraire 24.375.225 KCal qui par l'intermédiaire d'une installation Turbine - Vapeur + alternateur (n = 0,36) pourra produire 10,203 MW électrique.
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A la sortie de la Turbine, la vapeur sera orientée vers un séchoir à ordures afin d'y évaporer 10 T d'eau par heure et fournir 20 T d'ordures composées 18 T MS + 2 T H20. L'échangeur sera protégé de H CI par la projection au plasma d'une ou plusieurs couches de quartz.
Epuration du gaz par le procédé NEUTREC (SOLVAY) Voir Fig.1 Lavage Afin de réduire la température du gaz de synthèse à 50 C et obtenir une propreté maximum, le gaz subira un dernier lavage au lait de chaux.
Extraction de H2 A 50 C, le gaz pourra être filtré sur tapis moléculaires qui permettrait d'extraire jusqu'à 62% du Hz qu'il contient. L'exemple actuel ne prévoit pas l'extraction de H2 qui est une pratique normale de sociétés telles que UOP, AIR LIQUIDE...
Combustion du gaz de synthèse Le gaz de synthèse réduit à :
CO 21.014 kg
C02 16.104 kg
N2 899 kg
Hz 1.327 kg libèrera par la combustion en présence d'02 pur obtenu par filtration de l'air procédé MEDAL de AIR LIQUIDE.
EMI11.1
Les gaz d'échappement porteurs d'une chaleur sensible de
89.805.250 KCal seront portés à une température excessive.
Pour ramener cette température dans des limites supportables, il faudra ajouter H20 + C02 en respectant pour la composition finale
C02 = 11/9 H2O
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Le gaz d'échappement sera composé :
C02 16.104 + 33.022 = 49.126 kg
H20 11.943 kg
N2 899 kg pour une température de 1.773 K et une chaleur sensible de 89.805.250 KCal, nous devrons : * injecter 5.621 kg C02 * vaporiser 32.850 kg H20 dans la chambre de combustion et la composition finale du gaz de synthèse sera :
C02 54. 747 kg
H20 44. 793 kg
N2 899 kg Si nous voulons transformer ce mélange en méthanol selon Fig.5, nous devrons y ajouter 59.724 kg de CH4 pour obtenir :
EMI12.1
dont la température doit être 500 K.
Chaleur sensible de ce mélange 38.321.946 KCal La chaleur sensible de CH4 à 15 C ou 288 K = 9.301.176 KCal Le mélange N2 + C02 + H20 apporte une chaleur sensible de 29.020.769 KCal.
Reste disponible pour la production d'électricité dans l'unité Turbine - Gaz - Vapeur 89.805.250 KCal - 29. 020.769 KCal = 60.784.481 KCal ou pour n = 50% 35,34 MW Electrolyse de l'eau La production totale d'électricité est 35,34 MW + 10,2 MW = 45,54 MW dont 30 MW sont disponibles pour l'électrolyse de H20 ce qui permet une production de 6. 000 Nm3/h ou 535,7 kg H20.
Par concentration successive du bain d'électrolyse, on peut aussi produire 76,5 gr D2 /h.
Production annuelle 8.000h soit 4.285.600 kg H2 4.8106Nm3 612 kg D2
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Molecular dissociation of CO2 by Plasma applied to the production of energy, fuel and treatment of urban waste A. Introduction B.I. The Technology
II. Basic description of an installation
1. Receipt of waste and classification
2. Preparation of waste for introduction into the reactor a) Screening b) Magnetic drum c) Grinding d) Drying e) Densification
3. The reactor a) Description b) Start-up of the reactor c) Continuous operation of waste treatment 1. Household waste subject to treatment
2. Densification
3. Gasification
4.
Examples - Production of electricity by Turbine - Steam - Combustion of synthesis gas - Production of electricity by Turbine - Gas - Steam - Extraction of H2 from synthesis gas - Electrolysis of water - Plasma reforming of methanol
4. Claims
5. Drawings (5)
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A. Introduction The purpose of this patent is to develop a new technique for producing electricity, hydrogen and methanol from a gas or mixture of gases, C02, C02 + CH4, CH4 + H20, or any other gas or mixture which by molecular dissociation can be transformed into CO and / or H2, used as raw material.
It has been studied with a view to its application to the treatment of urban waste and poor fuels.
B. I. Technology Plasma technology enables extreme temperatures of up to 20-25,000 C to be obtained that no other technology can produce. When a gas is heated to these high temperatures, its properties change.
Above 2000 C, the gas molecules begin their dissociation and the gas evolves into an atomic state.
At 3000 C, the molecules are completely dissociated and the atoms gradually lose their electron (s). The gas is ionized. The energy transported by this ionized gas can be used for several types of applications such as: heating, gasification, various chemical reactions which can take place in and around the plasma.
The applications of the heat of the plasma, already in use, use air as the plasma gas to obtain the gasification of the waste. This technique, introducing oxygen contained in the air into the reactor, causes the combustion of part of the CO and H2 contained in the synthesis gas resulting from the gasification of the waste. This technique reduces the performance of the process accordingly.
The new proposed technique wants to use all the possibilities of plasma while protecting the environment through the use of greenhouse gases.
Applied to the treatment of mediocre fuels: lignite, peat, schlamms, urban waste or biomass, these high temperatures allow their molecular dissociation at the same time as that of plasma gas. This molecular dissociation gives access to chemical transformations which allow instant gasification of all waste and the formation of a synthesis gas.
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highly energetic. Without using oxygen, all forms of smoke, ash or other products are eliminated.
Applied to the treatment of waste, both organic and inorganic, or even gases currently released into the atmosphere, the technology described takes place in six phases. a) From a gas, or mixture of gases, formation of another gas with high calorific energy and high reducing power. b) Dissociation of organic compounds into synthesis gas. c) Injection into the treatment circuit of liquid, solid or gaseous products, heated or not, intended to increase the quantities of CO and / or H2 contained in the synthesis gas thus produced. d) Control of reaction temperatures for gasification, electricity production and transformation of exhaust gases from the Turbine - Gas - Steam installation into methanol by the injection of liquid, solid or gaseous products , heated or not, in the circuit considered.
e) Possible extraction of a significant part of the H2 contained in the synthesis gas. f) Dissociation of inorganic compounds (metals - glasses - toxic) by their fusion in a plasma at + 3000 C. Certain products whose melting point of 2800 C, are then found in the form of lava, vitrified by brutal cooling.
II. Basic description of an installation.
A. Industrial organization.
The organization of an industrial unit revolves around four zones: 1. Receipt of waste and possible classification.
2. Preparation of waste for introduction into the reactor.
3. Gasification of waste and possible purification of gases.
4. Energy production.
1) Receipt of waste and classification.
These arrive by truck, harvested in plastic bags or in bulk. Depending on their nature, they will be oriented towards the reception pits or towards a storage area.
Collection of a sample.
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2) Preparation of waste for introduction into the reactor. at. Screening.
The screening consists of an operation of shredding the trash bags by the well-known process implemented by the Walloon Region in the methanization of waste. The waste bags are introduced into revolving cylinders provided with knife teeth responsible for tearing the bags in order to release the waste. b. Magnetic drum.
At the end of the shredding, the waste is spread on a conveyor belt passing under a magnetic separator. The purpose of this operation is to remove the metal parts that could disturb the following operations, such as car fire extinguishers, spray paint, ... c. Grinding of waste.
This operation is carried out in a hammer mill or other type of grinder and has the main purpose of reducing the waste into grains in order to ensure their densification. d. Drying.
The gas resulting from gasification having a high temperature, of the order of 1500 C, carries significant sensible heat. Subsequent use of this gas is only possible after cooling it to temperatures of the order of 50 C. The synthesis gas at 1500 C is introduced into a heat exchanger type boiler with water pipes producing steam. This expanded steam in a steam turbine, produces electricity with the well known efficiency, 36%. 64% of the sensible heat of the gas remains. Recovered at the outlet of the steam turbine, it will allow the drying of a certain amount of waste in order to reduce its humidity to 10%. e. Densification.
Waste containing 10% moisture is introduced into a screw press which densifies it. During the duration of the preceding treatments, the analysis of the sample taken on arrival of the waste makes it possible to predict, with good precision, the composition of the synthesis gas. Depending on this, a certain amount of coke will be mixed with the waste in order to obtain a maximum of CO and a minimum of H20 in the synthesis gas.
The screw press will ensure, in addition to the densification of the waste, the extraction of the air which it contains, in order to be able to carry out gasification without oxygen or nitrogen.
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3) The reactor. a) Description (fig. 1) Fed in its upper part by the densified waste in the screw press, it is equipped in its lower part with a certain number of plasma torches according to the quantities treated each hour. The plasma torches can be replaced by graphite electrodes.
The lower tank resting on the floor is occupied by a slag resulting from the inorganic matter contained in the waste and not gasifiable. When the gasifier is started, this slag is replaced by a certain quantity of solidified slag from the slag from electric foundry ovens which will be introduced into the reactor via the screw press.
We prefer an acid type slag which flows at 1500 C to a basic slag which for the same fluidity requires a temperature of 1700 C.
By controlling the electrical energy applied to the torch (s) supplied with CO2 as plasma gas, we obtain:
EMI5.1
The plasma torches will be of the electrode or induction type providing a so-called protective gas C02 as shown in fig. 2. This shielding gas will create a slight depression at the outlet of the plasma arc favorable to its stabilization and will project C (soil) in the form of soot on the heap of solidified slag while ensuring an atmosphere rich in C02 which will limit the temperature rise during start-up.
Coke will also be introduced by the screw press at the rate of 12 g per mole of CO 2 used as plasma gas, which will bring the content of C (sol) present on the slag to 24 g per mole of CO 2 plasma. Since a solid or liquid body does not burn, only the vapors which overcome it are liable to ignite, a gas or methanol burner (B in fig. 4) must, when starting up, provide the necessary calories to the gasification of 24gr C (soil) causing:
EMI5.2
C (soil) + calories - C (gas) Hence 2 C (gas) + 02 (gas) -i 2 CO (gas) + 553000 Cal. and hence the self-maintenance of the reaction.
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Taking into account the energy supplied: with a plasma torch in electric form 393.7 kj = 94,000 Cal. by the combustion reaction of C (soil) and as a function: * of the losses through the walls, * of the sensible heat sought, we will be able to determine: * the number of mole C02 plasmagen, * the coke to be introduced by the screw press , * the quantity of CO2 and / or H2O to be injected into the reactor in order to limit the temperature of the sensible heat created to 1773 K.
The calories required: * for the gasification of C (soil) * the melting of the slag from the slag is supplied by the gas or methanol burners.
Two gargoyles, heated by induction, ensure the level of the molten slag in the reactor.
The upper gargoyle ensures the excess of low density slag which floats on the surface of the slag. These light slag is sent to a pool of water where it is brutally cooled by vitrifying there.
The lower gargoyle ensures the flow of this kind of cast iron and heavier slag at the right times, including total drain for maintenance.
The hot gases thus produced will pass through a heat exchanger (fig.l). They will give up their calories there, thus producing a vapor which will be expanded in a steam turbine driving an alternator which will produce electricity allowing a self-supply of the plasma torches.
In co-generation, the steam collected at the outlet of the turbine will feed the drying of waste in order to reduce the H2O content from 40 to 10%.
In the example given below, the 30 gross tonnes of garbage 'containing 18 T MS + 12 T H20 will be reduced to 20 T containing 18 T MS + 2 T H20.
At the outlet of the heat exchanger, the gases will be treated, washed and during start-up will be enriched with CH4 in order to start up the Turbine - Gas - Steam unit which will also produce electricity.
These are the heating gases from the TGV combustion chamber that will be treated to obtain methanol.
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1. Household waste: object of treatment.
According to the documents communicated by the Directorate General of Natural Resources and Environment of the Walloon Region, the average bin would be composed of:
EMI7.1
<tb> Glasses <SEP> 4.43 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Papers <SEP> - <SEP> cartons <SEP> 14.35 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Cardboard <SEP> drinks <SEP> - <SEP> plastic <SEP> 9.08 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Metals <SEP> 3.07 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Textiles <SEP> 11.56 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Residues <SEP> not <SEP> classified <SEP> 4.47 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Organic <SEP> materials <SEP> - <SEP> green <SEP> waste <SEP> 39.53 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Special <SEP> waste <SEP> 0.92 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Fines <SEP> 12,
60 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Humidity <SEP> 40 <SEP>% <SEP>
<Tb>
2. Densification.
Waste containing 10% moisture is introduced into a screw press which densifies it. During the duration of the preceding treatments, the analysis of the sample taken on arrival of the waste makes it possible to predict, with good precision, the composition of the synthesis gas. Depending on this, a certain amount of coke will be mixed with the waste in order to obtain a maximum of CO and a minimum of H20 in the synthesis gas.
The screw press will ensure, in addition to the densification of the waste, the extraction of the air which it contains, in order to be able to carry out gasification without oxygen or nitrogen.
The screw press is equipped with a heating mantle allowing the heating temperature to be adapted to the characteristics (nature, humidity, size) of the waste.
A non-return valve will allow waste to be introduced into the reactor without loss of pressure.
3) Gasification of waste.
The reactor The waste introduced by the screw press at the top of the reactor, falls into the molten slag at 1773 K where they are gasified. (fig. 3) In a normal case, it would be a gasification in inert gas but the instability in the composition of the waste can in certain cases require the introduction of gas
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in the upper pocket. In this case, it will be a gas or a mixture of gases consisting of CO, CH4, C02, H2, H20, CH30H ... or gases making it possible to increase the CO and H2 content of the gas. final. In this case the plasma gas injected via the plasma torches may not be of the same nature. This gas or gas mixture can be heated or not.
A plasma sweep can be obtained by supplying three torches with three-phase alternating current, thus creating a field rotating at the same frequency as the supply current.
4) Example Treatment of 20 tonnes of garbage per hour.
Taking into account the previous experiments where the waste was heated by a plasma fed by 10118 kg AIR (2.254 kg 02 + 7.865 kg N2) preheated to 533 C as plasma gas and by the injection of 2.806 kg 02 by suitable nozzles, the gas synthesis had the following composition:
CO = 16.275 kg C02 = 1.078 kg
N2 = 8.764 kg
H2 = 711 kg H Cl = 308 kg
H2S = 32 kg
H20 = 5.544 kg This composition also resulted from the introduction of 1076 kg of coke into the reactor.
While the milkman answered the analysis:
MgO = 32.2 kg
Ti02 = 19.5 kg
Cr203 = 78 kg A1203 = 170.5 kg
Si02 = 242 kg
FexOy = 91 kg
CaO = 295.6 kg
Na20 = 43 kg
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This composition of the slag resulted from the introduction of 98 kg CaO. If this treatment had been carried out pyrolytically, without the addition of O2 or N2, the composition of the gas would have been:
CO = 17.878 kg
N2 = 899 kg H2 = 1.327 kg
HC1 = 308 kg
H2S = 32 kg Provided that the addition of coke has increased from 1076 kg to 1469 kg.
At 1773 K, the sensible heat of this gas would amount to 19.953.397 KCal and the sensible heat of this slag would rise to 791.881 KCAl.
If we want to produce, thanks to the sensible heat of synthesis gas, via a 10 MW electric steam turbine (n = 0.36), we will have to cover:
EMI9.1
<tb> 10 <SEP> MW <SEP> electric <SEP> 24. <SEP> 000.000 <SEP> KCal
<Tb>
<tb> dairy <SEP> 800. <SEP> 000 <SEP> KCal
<Tb>
<tb> Purification <SEP> of <SEP> gases <SEP> 500 <SEP> K
<Tb>
<tb> Miscellaneous <SEP> losses <SEP> estimated <SEP> at <SEP> 10% <SEP> of the total <SEP>.
<Tb>
Purification of gases The purification of gases is carried out using the NEUTREC process developed and patented by SOLVAY, which preserves air quality. At temperatures of the order of 500 K, this process allows the maximum purification of the gases as well as the recycling of the products resulting from the purification, without any transfer of pollution to water or the soil.
The process is based on the dry injection of finely ground sodium bicarbonate into the gases to be purified.
This sodium bicarbonate neutralizes acids with great efficiency.
By means of the combined injection of activated carbon or lignite coke, the gases are also purified of heavy metals and possible dioxins / furans. The acid neutralization products are sodium salts (Na Cl, Na2S, Na2C03) which are recycled at Solvay at 500 K, the compound gas:
CO = 17.878 kg
N2 = 899 kg H2 = 1.327 kg
<Desc / Clms Page number 10>
HCl = 308 kg
H2S = 32 kg C02 = x kg will have a sensible heat of (5,099,487 + 124,182 x) KCal at 1,773 K. This same gas will have a sensible heat of (21,276,426 + 610 x) KCal.
We want 21.276.426 + 610 x = 24. 000.000 + 5. 099.487 + 124.182 xx = 16.104 kg C02 from where at 1.773 K a sensible heat of 31.099.866 KCal to 500 K a sensible heat of 7.099.314 KCal We will have to therefore cover:
EMI10.1
<tb> 10 <SEP> MW <SEP> electric <SEP> + <SEP> Purification <SEP> of <SEP> gases <SEP> 31.099.866 <SEP> KCal
<Tb>
<tb> dairy <SEP> 800,000 <SEP> KCal
<Tb>
<tb> estimated losses <SEP> various <SEP> <SEP> 10% <SEP> 3,544,430 <SEP> KCal
<Tb>
<tb> Total <SEP> 35,444,295 <SEP> KCal
<Tb>
Dissociation of CO2 2.464 kg C02 + 5.266.83 KW - 672 kg C (soil) +1.792 kg 02 (gas) by injecting 672 kg C (soil) Following the action of gas or methanol burners 1.344 kg C ( soil) # 1.344 kg C (gas) and 1.344 kg C (gas) +1.792 kg 02 (gas) # 3.136 kg CO (gas) + 30.968.000 KCal.
A total: 30. 968,000 + 5,266.83 x 860 = 35,497,473 KCal.
The synthesis gas will then be:
CO 17.878 + 3.136 = 21.014 kg
C02 16.104 kg
N2 899 kg
H2 1.327 kg
H CI 308 kg
H2S 32 kg with a sensible heat of 31,509,927 KCal at 1,773 K with a sensible heat of 7,194,702 KCal at 500 K Heat exchanger The heat exchanger will be designed to extract 24,375,225 KCal which via an installation Turbine - Steam + alternator (n = 0.36) will be able to produce 10,203 MW of electricity.
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At the outlet of the Turbine, the steam will be directed to a garbage drier in order to evaporate 10 T of water there per hour and supply 20 T of composite garbage 18 T MS + 2 T H20. The exchanger will be protected from H CI by the plasma projection of one or more layers of quartz.
Purification of the gas by the NEUTREC process (SOLVAY) See Fig. 1 Washing In order to reduce the temperature of the synthesis gas to 50 C and obtain maximum cleanliness, the gas will undergo a final washing with lime milk.
Extraction of H2 At 50 C, the gas can be filtered on molecular carpet which would extract up to 62% of the Hz it contains. The current example does not foresee the extraction of H2 which is a normal practice of companies such as UOP, AIR LIQUIDE ...
Combustion of synthesis gas Synthesis gas reduces to:
CO 21.014 kg
C02 16.104 kg
N2 899 kg
Hz 1.327 kg will release on combustion in the presence of pure O2 obtained by filtration of the MEDAL process air from AIR LIQUIDE.
EMI11.1
Exhaust gases carrying a sensible heat of
89,805,250 KCal will be brought to an excessive temperature.
To bring this temperature back within bearable limits, H20 + C02 must be added, respecting the final composition
C02 = 11/9 H2O
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The exhaust gas will consist of:
C02 16.104 + 33.022 = 49.126 kg
H20 11.943 kg
N2 899 kg for a temperature of 1.773 K and a sensible heat of 89.805.250 KCal, we will have to: * inject 5.621 kg C02 * vaporize 32.850 kg H2O in the combustion chamber and the final composition of the synthesis gas will be:
C02 54. 747 kg
H20 44. 793 kg
N2 899 kg If we want to transform this mixture into methanol according to Fig.5, we will have to add 59.724 kg of CH4 to obtain:
EMI12.1
whose temperature must be 500 K.
Sensitive heat of this mixture 38,321,946 KCal The sensible heat of CH4 at 15 C or 288 K = 9,301,176 KCal The mixture N2 + C02 + H20 provides a sensible heat of 29,020,769 KCal.
Remains available for electricity production in the Turbine - Gas - Steam unit 89,805,250 KCal - 29. 020,769 KCal = 60,784,481 KCal or for n = 50% 35.34 MW Water electrolysis Total production d electricity is 35.34 MW + 10.2 MW = 45.54 MW of which 30 MW is available for the electrolysis of H20 which allows a production of 6,000 Nm3 / h or 535.7 kg H20.
By successive concentration of the electrolysis bath, it is also possible to produce 76.5 gr D2 / h.
Annual production 8,000h i.e. 4,285,600 kg H2 4.8106Nm3 612 kg D2