CA2663583A1 - Method of generating an energy source from a wet gas flow - Google Patents
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Abstract
Procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, c omprenant de la vapeur d'eau (H2O), ledit procédé comprenant une désoxydatio n d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H2O) par passage dudit flux gazeux initial au travers d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement du carbone à haute température, l adite désoxydation permettant d'obtenir un premier flux gazeux comprenant de l'hydrogène (H2) obtenu par réaction de ladite vapeur d'eau (H2O) avec lesd its éléments de carbone. Le flux initial peut être un flux gazeux ayant serv i au traitement d'une charge de bois (Bl). L'hydrogène (H2) obtenu, constitu e une source d'énergie et, peut ensuite être utilisé pour produire de l'éner gie par des moyens tels qu'une chaudière à gaz, une turbine à gaz, une pile à combustible, un moteur à gaz, un turboalternateur(TAV), etc.A method of generating energy from an initial gas stream comprising water vapor (H2O), said process comprising deoxidizing at least a portion of said water vapor (H2O) by passing said initial gas stream through a layer of high temperature material, called thermal base, essentially comprising carbon at high temperature, the deoxidation adite allowing to obtain a first gaseous stream comprising hydrogen (H2) obtained by reacting said water vapor (H2O) with said carbon elements. The initial flow may be a gas stream that has been used to treat a wood load (B1). The hydrogen (H2) obtained constitutes a source of energy and can then be used to produce energy by means such as a gas boiler, a gas turbine, a fuel cell, a gas engine, turbo-alternator (TAV), etc.
Description
Procédé de génération d'une source d'énergie à partir d'un flux gazeux humide La présente invention concerne un procédé de génération d'une source d'énergie renouvelable à partir d'un flux gazeux et l'application de cette source d'énergie pour la production d'électricité à haut rendement. Elle vise également un système mettant en oeuvre le procédé selon l'invention.
Le domaine de l'invention est le domaine de la génération d'une source d'énergie. L'invention s'applique pl"ûs particulièrement à la génération d'uiie source d'énergie à partir d'un flux gazeux, comprenant de la vapeur d'eau, et ayant servi dans un traitement quelconque, ou produit par un procédé ou système quelconque.
Actuellement, il existe de nombreux systèmes de production de flux gazeux à vocation énergétique, notamment à partir de l'eau ou de la vapeur d'eau. La plupart de ces procédés et systèmes mettent en uvre des techniques complexes de réaction qui nécessitent des apports énergétiques et de matières premières divers, en aval et en amont de la réaction. La mise en oauvre de ces procédés et systèmes doit, le plus souvent, être réalisée dans un autre lieu que celui d'exploitation du produit de la réaction.
L'exploitation de cette source d'énergie est, dans la plupart des cas, dédiée à la production d'un flux gazeux thermodynamique, qui est généralement de la vapeur d'eau, produisant un travail mécanique ou de l'électricité.
Cependant, ces procédés et systèmes ne permettent de récupérer qu'une partie de l'énergie thermique du flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau. De plus, le rendement de ces procédés et systèmes est peu élevé. Par exemple, dans la plupart des procédés et systèmes actuellement connus, le rendément de production d'électricité ne dépasse pas les 60%.
Ces procédés et systèmes présentent des pertes importantes qui diminuent leur attractivité.
Un but de l'invention est de proposer un procédé et un système permettant de générer une source d'énergie à partir d'un flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau avec un meilleur rendement que les procédés et systèmes actuels. A method of generating an energy source from a wet gas stream The present invention relates to a method of generating a source of renewable energy from a gaseous flow and the application of this energy source for high efficiency electricity generation. She aims also a system implementing the method according to the invention.
The field of the invention is the field of generating a source energy. The invention applies particularly to generation of uiie source of energy from a gas stream, comprising water vapor, and having been used in any treatment, or produced by a process or any system.
Currently, there are many flow production systems gaseous energy, especially from water or steam of water. Most of these processes and systems implement complex reaction techniques that require energy inputs and various raw materials, downstream and upstream of the reaction. Setting most of these processes and systems must, in most cases, be in a place other than that of exploitation of the product of the reaction.
The exploitation of this source of energy is, in most cases, dedicated the production of a thermodynamic gas flow, which is generally water vapor, producing mechanical work or electricity.
However, these methods and systems can not recover that a part of the thermal energy of the gas stream comprising the water vapour. Moreover, the efficiency of these processes and systems is little Student. For example, in most processes and systems currently known, the electricity production yield does not exceed 60%.
These processes and systems have significant losses that decrease their attractiveness.
An object of the invention is to propose a method and a system to generate a source of energy from a gas stream water vapor with better performance than the current processes and systems.
-2-Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et un système qui permettent de générer une source d'énergie à partir d'un flux gazeux de manière plus simple.
L'invention propose de remédier aux problèmes précités par un procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, comprenant de la vapeur d'eau, le procédé comprenant une désoxydation d'au moins une partie de la vapeur d'eau par passage du flux gazeux initial au travers d'une couche de matière oxydoréductrice à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement des éléments de carbone à haute température, la désoxydation permettant d'obtenir un premier flux gazeux comprenant de l'hydrogène obtenu par réaction de la vapeur d'eau avec les éléments de carbone à hautes température.
Le procédé selon l'invention permet de générer de l'hydrogène à partir de la vapeur d'eau présente dans le flux gazeux initial, grâce à des éléments de carbone à haute température. L'hydrogène généré est la source d'énergie, qui représente une valeur énergétique très importante. Le procédé selon l'invention permet de récupérer non seulement une grande partie de l'énergie thermique de la vapeur d'eau présente dans le flux initial, mais aussi une grande partie de l'énergie de désoxydation de la molécule H20 par la génération d'hydrogène à partir de cette vapeur d'eau. Ainsi, pour une quantité donnée de vapeur d'eau, le procédé selon l'invention permet de générer plus d'énergie que les procédés et systèmes actuels. De plus l'hydrogène, vecteur de cette énergie, est exploitable dans de nombreux systèmes industriels connus.
Le flux gazeux initial peut comprendre de la vapeur d'eau provenant d'un procédé industriel du lieu d'implantation, du recyclage de la vapeur d'eau après combustion de l'hydrogène, ou de moyens thermomécaniques de vaporisation d'un volume d'eau au démarrage du système.
Dans le procédé selon l'invention, la base thermique comprend essentiellement des éléments de carbone à haute température, et permet de fournir dans un unique système, l'énergie thermique et les éléments de carbone pour réaliser la désoxydation de la vapeur d'eau et la production de H2. Les éléments de carbone peuvent être ceux de la composition chimique -2-Another object of the invention is to propose a method and a system which make it possible to generate a source of energy from a gaseous flow of simpler way.
The invention proposes to remedy the aforementioned problems by a method of generating energy from a gas flow, said initial, comprising water vapor, the process comprising deoxidation at least part of the water vapor by passing the initial gas stream through a layer of redox material at high temperature, so-called thermal base, essentially comprising carbon elements at high temperature, deoxidation to obtain a first flow gas comprising hydrogen obtained by reaction of water vapor with high temperature carbon elements.
The process according to the invention makes it possible to generate hydrogen from water vapor present in the initial gas stream, thanks to elements carbon at high temperature. The hydrogen generated is the source of energy, which represents a very important energy value. The method according to the invention makes it possible to recover not only a large part of the thermal energy of the water vapor present in the flow initial, but also a lot of the deoxidation energy of the molecule H2O by the generation of hydrogen from this water vapor. So, for a given quantity of steam, the process according to the invention generates more energy than current processes and systems. Of hydrogen, the vector of this energy, is exploitable in many known industrial systems.
The initial gas stream may comprise water vapor from of an industrial process of the place of implantation, the recycling of the steam water after combustion of hydrogen, or thermomechanical means Spraying a volume of water at the start of the system.
In the process according to the invention, the thermal base comprises essentially carbon elements at high temperature, and allows for provide in a single system, the thermal energy and the elements of carbon to achieve the deoxidation of water vapor and the production of H2. The carbon elements can be those of the chemical composition
-3-des matières premières connues tels que le charbon, la lignine, la tourbe, la biomasse végétale ou animale.
Avantageusement, compte tenu de la valeur énergétique exploitable de l'hydrogène généré, et de l'énergie mise en oeuvre pour la génération de cet hydrogène, le procédé selon l'invention permet d'atteindre un rendement énergétique exploitable supérieur à celui des procédés et systèmes actuels.
Dans le procédé selon l'invention la base thermique comprenant du carbone à haute température permet, d'une part d'élever la température de la vapeur d'eau contenue dans le flux initial pour créer la température nécessaire à la désoxydation de cette vapeur d'eau, et d'autre part de fournir les éléments de carbone qui sont mis en jeu dans cette désoxydation. La température au niveau de la base thermique est telle que la vapeur d'eau traversant cette base thermique entre en réaction avec les éléments de carbone à haute température de manière à produire de l'hydrogène par les réactions de désoxydation suivante :
C + H20 --> CO + H2: réaction endothermique (- 131 kJ) CO + HZO --> C02 + H2: réaction exothermique (+ 40 kJ) Le bilan des réactions de désoxydation précédentes est donc :
C + 2 H20 --> C02 + 2 H2: réaction endothermique (- 91 kJ) Cette réaction nécessite donc un appoint thermique de 91 k] pour que la dismutation, formulée ci-dessus, soit réalisée. Cette énergie est fournie par la combustion d'au moins une partie de la base thermique.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape séparant l'hydrogène des autres éléments contenus dans le flux gazeux après désoxydation de la vapeur d'eau. Cette séparation peut être réalisée par des dispositifs présents dans le commerce et qui peuvent être mis en oeuvre facilement.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre un stockage de l'hydrogène, obtenu lors de l'étape de séparation.
D'une manière avantageuse, le procédé selon l'invention peut comprendre une génération d'électricité dans une pile à combustible à partir d'au moins une partie de l'hydrogène, cette génération produisant en outre un gaz de réaction. Le gaz de réaction comprend essentiellement de la vapeur d'eau qui peut être recyclée et désoxydée au travers de la base -3-known raw materials such as coal, lignin, peat, plant or animal biomass.
Advantageously, given the exploitable energy value generated hydrogen, and the energy used for the generation of this hydrogen, the process according to the invention makes it possible to achieve a exploitable energy higher than current processes and systems.
In the process according to the invention the thermal base comprising carbon at high temperature allows, on the one hand to raise the temperature of the water vapor contained in the initial flow to create the temperature necessary for the deoxidation of this water vapor, and on the other hand provide the carbon elements that are involved in this deoxidation. The temperature at the thermal base is such that the water vapor passing through this thermal base is in reaction with the elements of carbon at high temperatures so as to produce hydrogen by the following deoxidation reactions:
C + H20 -> CO + H2: endothermic reaction (- 131 kJ) CO + HZO -> CO2 + H2: exothermic reaction (+ 40 kJ) The balance of previous deoxidation reactions is therefore:
C + 2 H20 -> CO2 + 2 H2: endothermic reaction (- 91 kJ) This reaction therefore requires a thermal booster of 91 k] so that the disproportionation, formulated above, is carried out. This energy is provided by burning at least a portion of the thermal base.
The method according to the invention may further comprise a step separating hydrogen from other elements contained in the gas stream after deoxidation of the water vapor. This separation can be achieved commercially available devices that can be work easily.
Advantageously, the method according to the invention may comprise a storage of hydrogen, obtained during the separation step.
Advantageously, the process according to the invention can understand a generation of electricity in a fuel cell from at least part of the hydrogen, this generation also producing a reaction gas. The reaction gas essentially comprises water vapor that can be recycled and deoxidized through the base
-4-thermique pour produire de l'hydrogène qui servira de nouveau à générer de l'électricité dans la pile à combustible, et ce en cycle continu.
Le procédé selon l'invention peut avantageusement comprendre en outre une combustion d'au moins une partie de l'hydrogène dans une chaudière à gaz, ladite combustion produisant de l'énergie thermique et un gaz de combustion comprenant de la vapeur d'eau à haute température et basse pression. La combustion de l'hydrogène peut aussi être réalisée dans une turbine à gaz, un moteur à gaz, ou une chaudière classique de production de vapeur d'eau.
Dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, la combustion de l'hydrogène, dans la chaudière à vapeur, peut être réalisée sous 02. Dans ce mode de réalisation, le flux gazeux de combustion ne comprend pratiquement que de la vapeur d'eau à très haute température et basse pression.
Dans un second mode de réalisation du procédé selon l'invention, la combustion de l'hydrogène peut être réalisée sous air.
Avantageusement, au moins une partie de l'énergie thermique produite par la combustion de l'hydrogène peut être utilisée pour conditionner un fluide thermodynamique en un deuxième flux gazeux comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et haute pression.
Au moins une partie de la vapeur d'eau haute température et haute pression peut aussi être utilisée dans un système dédié à la production d'énergie mécanique et/ou électrique.
Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau contenu dans le deuxième flux gazeux est utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur, ou un turboalternateur, cette production d'électricité
comprenant en outre une génération d'un troisième flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau basse pression et basse température. Le couple température/pression que l'on peut obtenir dans le système et procédé
selon l'invention, peut atteindre des niveaux très importants qui permettent de réaliser une production d'électricité, au plus haut rendement des systèmes existants et à venir et d'augmenter le rendement de production d'électricité par rapport au potentiel thermique mis en oeuvre à l'origine. -4-thermal energy to produce hydrogen that will again be used to generate electricity in the fuel cell, in a continuous cycle.
The method according to the invention can advantageously comprise in in addition to a combustion of at least a portion of the hydrogen in a gas boiler, said combustion producing thermal energy and a combustion gas comprising steam at high temperature and low pressure. The combustion of hydrogen can also be achieved in a gas turbine, a gas engine, or a conventional boiler of production of water vapor.
In one embodiment of the method according to the invention, the Hydrogen combustion, in the steam boiler, can be realized under 02. In this embodiment, the combustion gas flow does not practically includes only water vapor at very high temperatures and low pressure.
In a second embodiment of the method according to the invention, the Hydrogen combustion can be performed under air.
Advantageously, at least a portion of the thermal energy produced by the combustion of hydrogen can be used to conditioning a thermodynamic fluid into a second gas stream essentially comprising high temperature water vapor and high pressure.
At least part of the high temperature and high water vapor pressure can also be used in a system dedicated to the production mechanical and / or electrical energy.
Advantageously, at least part of the water vapor contained in the second gas stream is used to generate electricity in a steam turbine, or a turboalternator, this electricity generation further comprising generating a third gas stream comprising low pressure and low temperature water vapor. The couple temperature / pressure that can be obtained in the system and process according to the invention, can reach very important levels which allow to produce electricity, to the highest efficiency of existing and future systems and increase the production yield electricity compared to the thermal potential originally implemented.
-5-Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une compression d'au moins une partie de la vapeur d'eau basse température et basse pression contenue dans le troisième flux gazeux amenant la dite vapeur d'eau à une pression de condensation. Cette compression peut être réalisée dans des moyens compresseurs disposés en sortie d'une turbine à
vapeur.
D'une manière avantageuse, le procédé selon l'invention peut comprendre une récupération d'au moins une partie de l'énergie de condensation de la vapeur d'eau obtenue après compression.
Le procédé peut en outre comprendre une élévation en température d'au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le troisième flux.
Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau contenu dans le gaz de combustion peut être désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau au travers de la base thermique. En effet le procédé selon l'invention peut comprendre un recyclage d'au moins une partie du gaz de combustion comprenant de la vapeur d'eau, par passage d'au moins une partie de ce gaz au travers de la base thermique oxydo-réductrice, pour une nouvelle désoxydation de ladite vapeur dans ce gaz, cette désoxydation produisant à nouveau de l'hydrogène. Le recyclage permanent des flux gazeux restitue logiquement l'intégralité du potentiel énergétique qu'ils recèlent moins les déperditions inhérentes aux systèmes et matériels mis en oeuvre pour l'invention. De ce fait, l'intégralité de la capacité thermique résiduelle de la vapeur d'eau peut ainsi être récupérée à la base thermique et vient en déduction de l'énergie à fournir pour conditionner les éléments de carbone oxydoréducteurs et permettre la dismutation ou la désoxydation de la vapeur d'eau. L'hydrogène obtenu est de nouveau transférée au système de cogénération d'énergie, et cela en cycle continu.
Dans ce mode de recyclage, la base thermique doit être apte à
désoxyder de la vapeur d'eau en continu, la quantité de carbone à haute température doit donc être suffisante. L'approvisionnement en carbone à
haute température doit être continu.
Dans un mode de réalisation particulier, au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le gaz de combustion peut être mélangée à au moins une partie de la vapeur d'eau obtenue dans un système périphérique -5-The method according to the invention may further comprise a compressing at least a portion of the low temperature water vapor and low pressure contained in the third gas stream leading the so-called water vapor at a condensing pressure. This compression can be realized in compressor means arranged at the outlet of a turbine with steam.
Advantageously, the process according to the invention can include recovery of at least a portion of the energy of condensation of the water vapor obtained after compression.
The process may further include raising the temperature at least a portion of the water vapor contained in the third stream.
Advantageously, at least part of the water vapor contained in the combustion gas can be deoxidized by passing said water vapor through the thermal base. Indeed the process according to the invention may comprise a recycling of at least a portion of the combustion comprising water vapor, by passing at least one part of this gas through the redox thermal base, for a further deoxidation of said vapor in this gas, this deoxidation again producing hydrogen. Permanent recycling of flows gas logically restores the full energy potential they less the losses inherent in the systems and equipment used.
for the invention. As a result, the entire thermal capacity residual water vapor can thus be recovered at the thermal base and comes in deduction of the energy to be supplied to condition the elements of carbon redox and allow the disproportionation or deoxidation water vapor. The hydrogen obtained is again transferred to energy cogeneration system, and this in a continuous cycle.
In this recycling mode, the thermal base must be suitable for deoxidize water vapor continuously, the amount of carbon at high temperature must therefore be sufficient. Carbon supply at high temperature must be continuous.
In a particular embodiment, at least a portion of the water vapor contained in the flue gas may be mixed with least part of the water vapor obtained in a peripheral system
-6-quelconque, tel qu'un système de déshydratation de biomasse végétale ou système d'apport d'eau en phase liquide et d'évaporation dans un échangeur utilisant l'excédent thermique du système selon l'invention. Le mélange peut ensuite être désoxydé au travers de la base thermique et entamer un nouveau cycle dans le procédé selon l'invention, et cela en cycle continu Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau du troisième flux, comprimée à une pression de condensation puis élevée en température, peut être recyclée et utilisée pour produire de l'électricité
dans une turbine à vapeur, après une élévation de sa température et de sa pression. L'élévation en température de la vapeur d'eau peut être réalisée grâce à l'énergie thermique présente au niveau de la base thermique ou grâce à l'énergie thermique obtenue par combustion de l'hydrogène dans une chaudière à gaz, ou les deux.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre une génération de la base thermique par combustion de biomasse végétale ou de charbon.
La combustion de biomasse peut être réalisée sous 02 ou sous air.
La biomasse dont la combustion permet de générer la base thermique peut comprendre de la biomasse végétale dont l'humidité a été diminuée au préalable, tel que de la biomasse séchée à l'air, de la biomasse séchée dans une unité de traitement, de la biomasse torréfiée, etc.
Avantageusement le flux gazeux initial peut comprendre au moins une partie d'un flux gazeux de traitement d'une charge de biomasse, tel que le flux gazeux de déshumidification, de séchage ou de torréfaction d'une charge de biomasse. Dans ce cas, la vapeur d'eau présente dans le flux gazeux initial provient de la biomasse séchée, déshumidifiée ou torréfiée.
Le flux gazeux initial peut comprendre du C02 ou tout autre gaz neutre ayant servi de vecteur caloporteur de déshydratation et de traitement. Cependant, la base thermique comprenant des éléments de carbone à haute température, il est préférable que le flux gazeux initial comprenne du C02. De plus, il est plus avantageux que le flux gazeux initial comprenne du C02 compte tenu du fait que la séparation de l'hydrogène du C02 est une opération connue de l'homme du métier et facilement réalisable. -6-whatever, such as a plant biomass dehydration system or liquid phase water supply and evaporation system in a heat exchanger using the thermal surplus of the system according to the invention. The mixture can then be deoxidized through the thermal base and start a new cycle in the process according to the invention, and this in continuous cycle Advantageously, at least part of the water vapor of the third stream, compressed to a condensing pressure and then raised to temperature, can be recycled and used to produce electricity in a steam turbine, after a rise in its temperature and its pressure. The rise in temperature of the water vapor can be achieved thanks to the thermal energy present at the thermal base or thanks to the thermal energy obtained by burning hydrogen in a gas boiler, or both.
Advantageously, the method according to the invention may comprise a generation of the thermal base by combustion of plant biomass or of coal.
The combustion of biomass can be carried out under 02 or under air.
Biomass whose combustion generates the thermal base may include plant biomass whose moisture has been reduced at prior art, such as air-dried biomass, of the dried biomass in a processing unit, roasted biomass, etc.
Advantageously, the initial gas flow may comprise at least one part of a gaseous flow of treatment of a load of biomass, such as the gaseous flow of dehumidification, drying or roasting of a biomass load. In this case, the water vapor present in the flow The initial gas comes from dried, dehumidified or roasted biomass.
The initial gas stream may comprise CO2 or any other gas a neutral vector having served as a heat transfer vector for dehydration and treatment. However, the thermal base comprising elements of carbon at high temperature, it is better that the initial gas flow includes CO2. In addition, it is more advantageous than the initial gas flow includes CO2, since the separation of hydrogen from C02 is an operation known to those skilled in the art and easily feasible.
-7-Après la séparation de l'hydrogène et du C02, au moins une partie du C02 peut aussi transiter par au moins un échangeur thermique pour y atteindre une température nécessaire à un traitement prédéterminée et être directement utilisé dans le traitement en question. Le traitement en question peut être la torréfaction, le séchage, la déshumidification, etc. d'une charge de bois par exemple.
Avantageusement, après la séparation de l'hydrogène et du C02, au moins une partie du C02 peut être condensée et récupérée, par exemple en phase liquide.
La base thermique mise en oeuvre dans le procédé selon l'invention peut être en ignition à une température qui est réglée par injection d'oxygène au coeur de ladite base. Cette injection d'oxygène peut servir à
contrôler la température au coeur de la base, en amont de la base ou en aval de la base thermique.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, comprenant de la vapeur d'eau, le système comprenant :
- des moyens de génération d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement du carbone à haute température ;
- des moyens de passage dudit flux gazeux au travers de ladite base thermique, le passage permettant une désoxydation d'au moins une partie de la vapeur d'eau, la désoxydation permettant d'obtenir de l'hydrogène par réaction de la vapeur d'eau avec le carbone.
Dans une version particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens de génération comprennent un générateur thermique prévu pour générer au moins une partie de la base thermique, le générateur étant aussi prévu pour désoxyder au moins une partie de la vapeur d'eau qui traverse la base thermique. En effet, la base thermique peut se trouver au sein du générateur thermique.
Le générateur thermique peut comprendre un réacteur thermique ou un foyer à combustible solide ou encore un dispositif hybride, permettant la combustion d'un combustible solide, notamment de la biomasse végétale -7-After the separation of hydrogen and CO 2, at least a part of the C02 can also transit through at least one heat exchanger for reach a temperature necessary for a predetermined treatment and be directly used in the treatment in question. The treatment in question can be roasting, drying, dehumidification, etc. a charge of wood for example.
Advantageously, after the separation of hydrogen and CO 2, least part of the CO2 can be condensed and recovered, for example in liquid phase.
The thermal base used in the process according to the invention can be ignited at a temperature that is set by injection of oxygen in the heart of said base. This oxygen injection can be used to control the temperature at the heart of the base, upstream of the base or downstream of the thermal base.
According to another aspect of the invention, a system of generation of energy from a gaseous flow, said initial, comprising water vapor, the system comprising:
means for generating a high-material layer temperature, called thermal base, essentially comprising high temperature carbon;
means for passing said gas stream through said thermal base, the passage allowing a deoxidation of least part of the water vapor, deoxidation to obtain hydrogen by reaction of the vapor of water with carbon.
In a particularly advantageous version of the invention, the generation means comprise a thermal generator provided for generate at least a portion of the thermal base, the generator being also intended to deoxidize at least a portion of the water vapor that flows through the thermal base. Indeed, the thermal base can be found within the thermal generator.
The thermal generator may comprise a thermal reactor or a solid fuel fireplace or a hybrid device, allowing the combustion of a solid fuel, in particular plant biomass
-8-dont l'humidité a été réduite par un traitement préalable. Cette combustion produit des éléments de carbone à haute température dont au moins une partie peut être utilisée pour réaliser la base thermique, et utilisée comme carbone oxydoréducteur à haute température.
Avantageusement, le générateur thermique peut être muni d'un système de régulation de la température des parois, par circulation d'un fluide caloporteur. Le générateur peut comprendre des parois doubles entre lesquelles le liquide caloporteur, par exemple de l'eau sous pression, peut circuler. Le liquide caloporteur peut aussi être projeté sur les parois du générateur thermique.
Dans une version particulière de l'invention, le générateur thermique peut comprendre un foyer à grille prévu pour recevoir la base thermique et agencé pour réaliser le transfert des gaz de combustion d'une charge de biomasse réalisant au moins en partie la base thermique et du flux gazeux initial.
Le foyer à grille peut avantageusement être muni d'un système de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur dans les grilles du foyer.
Le générateur thermique peut aussi comprendre des moyens d'injection d'oxygène. L'injection d'oxygène peut, d'une part, servir à
réaliser la combustion d'un combustible solide destiné à la génération de la base thermique, et d'autre part, à la régulation de la température au niveau de la base thermique.
Le générateur peut aussi comprendre des moyens de captation et de séparation de l'hydrogène obtenu par désoxydation de la vapeur d'eau.
Le générateur thermique peut en particulier comprendre une chambre de détente du flux gazeux ayant transité au travers de base thermique à
haute température. Cette chambre de détente, est mise en oeuvre notamment pour parfaire la dismutation des molécules de vapeur d'eau résiduelles en H2 au contact des éléments de monoxyde de carbone provenant de la combustion incomplète du carbone à haute température.
Avantageusement, le générateur thermique peut comprendre au moins un échangeur thermique, cet échangeur thermique étant prévu pour réaliser des échanges thermiques entre le premier flux gazeux, composé -8-whose moisture has been reduced by prior treatment. This combustion produces high temperature carbon elements, at least one of which part can be used to achieve the thermal base, and used as carbon redox at high temperature.
Advantageously, the heat generator may be provided with a system for regulating the temperature of the walls, by circulating a coolant. The generator may include double walls between heat transfer liquid, for example water under pressure, can circulate. The coolant can also be thrown on the walls of the thermal generator.
In a particular version of the invention, the thermal generator may include a grate grate provided to receive the thermal base and arranged to carry out the transfer of combustion gases from a charge of biomass realizing at least partly the thermal base and the gas flow initial.
The grate hearth may advantageously be provided with a system of cooling by circulation of a coolant in the grids of the home.
The thermal generator may also include means of oxygen injection. The injection of oxygen can, on the one hand, serve to achieve the combustion of a solid fuel for the generation of the thermal base, and secondly, the regulation of the temperature at the of the thermal base.
The generator may also include means for capturing and separation of the hydrogen obtained by deoxidation of the water vapor.
The thermal generator may in particular comprise a chamber of the flow of gas having passed through thermal base to high temperature. This relaxation room is implemented especially to complete the disproportionation of water vapor molecules H2 residuals in contact with carbon monoxide elements from the incomplete combustion of carbon at high temperatures.
Advantageously, the heat generator may comprise at minus one heat exchanger, this heat exchanger being provided for heat exchange between the first gaseous stream, composed
-9-essentiellement de C02 et de H2 à haute température et un fluide caloporteur, qui peut être celui d'un circuit de refroidissement d'une partie du système générateur thermique. Ce fluide se charge de l'énergie thermique dudit ensemble gazeux pour la transférer à un système de cogénération d'électricité, par exemple un turboalternateur.
Le système selon l'invention peut en outre comprendre un dispositif de production de vapeur d'eau, en valorisant l'énergie thermique provenant d'un élément quelconque du système.
Le système peut en outre comprendre des moyens de stockage et/ou de distribution de 02 et/ou de C02 D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels ;
- la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une chaudière à
vapeur ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une chaudière à
vapeur ;
- la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une pile à
combustible ; et - la figure 4 est une représentation schématique d'un quatrième mode de réalisation du procédé selon l'invention utilisant une pile à
combustible.
La figure 1 représente d'une manière schématique un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention. Le système représenté en figure 1 comprend une unité 1 de stockage d'un combustible solide comprenant du carbone, et plus particulièrement du carbone combustible. Le carbone combustible peut être du charbon ou de la biomasse végétale dont l'humidité à été diminuée par un traitement préalable, tel qu'une déshumidification. -9 essentially CO2 and H2 at high temperature and a fluid coolant, which can be that of a part cooling circuit of the thermal generator system. This fluid takes care of the energy said gaseous assembly to transfer it to a system of cogeneration of electricity, for example a turboalternator.
The system according to the invention may further comprise a device of steam production, by valuing thermal energy from of any element of the system.
The system may further include storage means and / or of distribution of 02 and / or C02 Other advantages and features will appear in the examination of the a detailed description of a non-limiting embodiment, and attached drawings in which;
FIG. 1 is a schematic representation of a first mode of performing the method according to the invention using a boiler with steam;
FIG. 2 is a schematic representation of a second mode of the method according to the invention using a boiler with steam;
FIG. 3 is a schematic representation of a third mode of performing the method according to the invention using a battery combustible ; and FIG. 4 is a diagrammatic representation of a fourth mode embodiment of the method according to the invention using a battery combustible.
Figure 1 schematically shows a first mode embodiment of the method according to the invention. The system represented in figure 1 comprises a unit 1 for storing a solid fuel comprising carbon, and more particularly combustible carbon. Carbon fuel may be coal or plant biomass of which moisture has been reduced by prior treatment, such as dehumidification.
- 10-Dans l'exemple d'application représenté sur la figure 1, l'unité 1 est une unité de stockage d'une charge de matière première combustible à
haute teneur en carbone B1. La charge de matière première combustible B2 à haute teneur en carbone est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est brûlée sous 02. Cette matière première combustible est destinée, d'une part à former la base thermique et, d'autre part à porter et maintenir cette base thermique à la température de procédé. La combustion complète de cette matière première sous 02 produit du C02.
Le réacteur R reçoit aussi un flux gazeux initial F1 comprenant de la vapeur d'eau à haute température et basse pression provenant d'un échangeur E2 et d'un caisson de mélange Cm. La vapeur d'eau provenant de E2 subit la réaction oxydo-réductrice lors du passage au travers de la base thermique. Cette dismutation produit le premier flux gazeux Fgl à haute température et basse pression. Ce premier flux gazeux Fgl est composé
essentiellement de H2 et COZ. H2 et C02 sont ensuite séparés dans un système séparateur gazeux industriel S-G.
Le C02 obtenu par séparation est un flux gazeux neutre Fn, trop chaud pour être exploité en l'état, il est refroidi dans un aéroréfrigérant E3.
Une partie Fnr du C02 refroidi est rejetée et le reste Fns compressé dans des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage S1. Une partie Fnsl du COZ stocké peut être utilisée comme flux de refroidissement du système selon l'invention ou pour la sécurité du système.
L'hydrogène obtenu est brûlé sous 02 dans une chaudière à gaz Ch.
La combustion de l'hydrogène sous 02 permet, d'une part de générer un flux gazeux de combustion Gcl à très haute température comprenant essentiellement de la vapeur d'eau H20 basse pression, et d'autre part de générer un deuxième flux gazeux Fg2 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau obtenu par chauffage d'un fluide thermodynamique Fth comprenant essentiellement de l'eau. En sortie de la chaudière à gaz Ch, ce deuxième flux gazeux Fg2 comprend essentiellement de la vapeur d'eau haute température et très haute pression. Le gaz de combustion Gcl, qui a cédé la plus grande partie de son potentiel thermique au deuxième flux gazeux Fg2, détient encore une charge thermique importante, à sa sortie de la chaudière Ch : environ 10 à 20% du pouvoir calorifique de la combustion - 10-In the example of application shown in FIG. 1, the unit 1 is a unit for storing a load of raw material fuel to high carbon content B1. The charge of B2 raw material fuel high carbon content is introduced, by a regulating system B, into the reactor R where it is burned under 02. This combustible raw material is intended, on the one hand to form the thermal base and on the other hand to wear and maintain this thermal base at the process temperature. The complete combustion of this raw material under CO2 produces.
The reactor R also receives an initial gas stream F1 comprising the water vapor at high temperature and low pressure from a exchanger E2 and a mixing chamber Cm. Water vapor from E2 undergoes the redox reaction when passing through the base thermal. This disproportionation produces the first gas flow Fgl at high temperature and low pressure. This first gas flow Fgl is composed essentially H2 and COZ. H2 and CO2 are then separated into one industrial gas separator system SG.
The CO2 obtained by separation is a neutral gas stream Fn, too hot to be exploited in the state, it is cooled in an air cooler E3.
An Fnr portion of the cooled CO 2 is discarded and the rest Fns compressed in Cl compressor means and stored in S1 storage means. A
Fnsl part of stored COZ can be used as coolant flow of the system according to the invention or for the security of the system.
The hydrogen obtained is burned under O2 in a gas boiler Ch.
The combustion of hydrogen under 02 makes it possible, on the one hand, to generate a flow gcl combustion gas at very high temperature comprising essentially H20 low pressure water vapor, and secondly generate a second gas stream Fg2 essentially comprising the water vapor obtained by heating a thermodynamic fluid Fth essentially comprising water. At the outlet of the gas boiler Ch, this second gas stream Fg2 essentially comprises water vapor high temperature and very high pressure. The combustion gas Gcl, which has yielded most of its thermal potential to the second flow gaseous Fg2, still holds a significant thermal load, upon its release from the boiler Ch: about 10 to 20% of the calorific value of the combustion
-11-de HZ sous 02 dans le système. Ce gaz de combustion comprenant de la vapeur d'eau est recyclé dans le réacteur R après passage dans un échangeur/caisson de mélange E2 et Cm où il peut être mélangé à un apport F1-1 de H20 liquide qui sert d'appoint. L'H20 liquide est évaporée dans l'échangeur/caisson de mélange E2 et Cm, un système Pch accouplé à un système de chauffage pour la phase de démarrage vaporise l'eau d'apport.
Le mélange gazeux ainsi formé, en sortie du caisson de mélange Cm, devient le flux gazeux initial F1, il est à haute température et basse pression et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenue dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée, de même que la vapeur d'eau qui est de nouveau désoxydée au passage de la base thermique et cela en cycle continu.
Le deuxième flux gazeux Fg2 comprenant de la vapeur d'eau surchauffée et très haute pression obtenue en sortie de la chaudière à gaz Ch entraîne une turbine à vapeur TAV qui génère de l'électricité par un alternateur A accouplé au système. La turbine permet d'exploiter l'essentiel de l'énergie mécanique de la vapeur. En sortie de la turbine à vapeur TAV, on obtient un troisième flux gazeux Fg3 comprenant de la vapeur d'eau à
une très basse pression et à basse température. Cette vapeur d'eau est comprimée par un compresseur à vapeur C2, à une pression suffisante pour son changement physique à l'état liquide dans le préparateur/échangeur VAP. L'eau obtenue, par condensation dans ce préparateur à la pression relative à l'enthalpie de la vapeur résiduelle est surchauffée dans l'échangeur El, elle est ainsi recyclée en flux thermodynamique Fth avant d'être réintroduite dans le circuit secondaire de la chaudière à gaz Ch. Une grande partie de l'énergie résiduelle en sortie de la turbine à vapeur est ainsi recyclée. L'électricité utile à la compression génère de l'énergie thermique, par effet "Joule", qui est exploitée par le système, neutralisant ainsi une partie de l'incidence de la consommation d'électricité du compresseur sur le bilan d'exploitation.
Le recyclage continu de la vapeur d'eau dans le cycle de dismutation et du C02 génère des excédents :
- de COz Fn qui est refroidi dans un aéroréfrigérant E3 (Une partie Fnr de ce C02 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par -11-of HZ under 02 in the system. This combustion gas comprising water vapor is recycled to the reactor R after passing through a exchanger / mixing chamber E2 and Cm where it can be mixed with a feed F1-1 H20 liquid that serves as a backup. The liquid H 2 O is evaporated in the exchanger / mixing chamber E2 and Cm, a system Pch coupled to a heating system for the start-up phase vaporizes the filler water.
The gaseous mixture thus formed, at the outlet of the mixing chamber Cm, becomes the initial gaseous flow F1, it is at high temperature and low pressure and participates in the useful heat exchange within the thermal base. all the thermal energy contained in this gaseous mixture is thus recycled, from same as the water vapor which is again deoxidized at the passage of the thermal base and this in continuous cycle.
The second gas stream Fg2 comprising water vapor superheated and very high pressure obtained at the outlet of the gas boiler Ch drives a TAV steam turbine that generates electricity through a alternator A coupled to the system. The turbine makes it possible to exploit the essential the mechanical energy of the steam. At the outlet of the TAV steam turbine, a third gas stream Fg3 is obtained comprising water vapor at very low pressure and low temperature. This water vapor is compressed by a steam compressor C2, at a pressure sufficient to its physical change in the liquid state in the preparer / exchanger VAP. The water obtained by condensation in this pressure washer relating to the enthalpy of the residual vapor is overheated in the heat exchanger El, it is thus recycled into thermodynamic flow Fth before to be reintroduced into the secondary circuit of the gas boiler Ch.
much of the residual energy at the outlet of the steam turbine is thus recycled. Electricity useful for compression generates energy thermal, by "Joule" effect, which is exploited by the system, neutralizing so part of the impact of electricity consumption the compressor on the operating balance.
Continuous recycling of water vapor in the disproportionation cycle and CO2 generates surpluses:
- COz Fn which is cooled in an air cooler E3 (Part Fnr of this CO2 is rejected to the ecosystem, the rest Fns is compressed by
- 12-des moyens compresseurs C1 et stockée dans des moyens de stockage 51) - de H20, le recyclage permanent de la vapeur d'eau et la combustion de la base thermique peut générer de l'excédent de vapeur d'eau, qui sera alors extrait du circuit de recyclage.
La figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, le système selon l'invention est utilisé pour le recyclage d'un flux gazeux de traitement Ft d'une charge de biomasse B1 et pour la valorisation énergétique du flux gazeux ayant servi au traitement de la charge de biomasse.
La biomasse B1 est déshydratée ou torréfiée dans l'unité de traitement 1. Après traitement, l'ensemble gazeux extrait comprend :
- le flux gazeux de traitement Ft, C02 caloporteur de traitement de la charge de biomasse, et - de la vapeur provenant de la biomasse initiale B1.
Cet ensemble gazeux devient alors le flux gazeux initial F1 qui sera recyclé dans le système et procédé selon l'invention.
Une partie B3 de la biomasse B1 traitée, par exemple en torréfaction ou en séchage, est stockée. Une autre partie B2 de la biomasse B1 est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est mise en réaction thermique sous 02 pour former la base thermique dont une partie a pour objet de porter et maintenir cette base thermique à la température de procédé. De plus, la combustion complète de la biomasse sous 02 produit du C0Z qui peut être utilisé comme flux caloporteur Ft pour le traitement de la biomasse d'origine B1.
Le flux gazeux initial F1, comprenant du C02 caloporteur utilisé dans le traitement de la biomasse B1 et la vapeur d'eau extraite de la biomasse d'origine est recyclée dans le réacteur R après un échange thermique dans un échangeur thermique E2 et un transit dans un caisson de mélange Cm, expliqué ci-après.
Le flux gazeux initial est ainsi à haute température lorsqu'il est introduit dans le réacteur R. Le C02 est neutre pour la réaction de désoxydation de la vapeur d'eau, mais la vapeur d'eau subit la réaction - 12-C1 compressor means and stored in means of storage 51) - H20, the permanent recycling of water vapor and combustion of the thermal base can generate excess water vapor, which will then be extracted from the recycling circuit.
Figure 2 is a schematic representation of a second mode embodiment of the method according to the invention. In this embodiment, the The system according to the invention is used for recycling a gaseous flow of treatment Ft of a biomass load B1 and for recovery of the gas flow used to treat the load of biomass.
Biomass B1 is dehydrated or roasted in the treatment 1. After treatment, the gaseous mixture extracted comprises:
the gaseous treatment flow Ft, C02 heat transfer treatment of the biomass load, and - steam from the initial biomass B1.
This gaseous set then becomes the initial gaseous stream F1 that will be recycled in the system and method according to the invention.
Part B3 of the treated biomass B1, for example in roasting or in drying, is stored. Another B2 part of the B1 biomass is introduced by a regulating system B into the reactor R where it is placed in thermal reaction under O 2 to form the thermal base of which a The purpose of this part is to carry and maintain this thermal base at process temperature. In addition, the complete combustion of biomass under 02 C0Z product that can be used as Ft heat transfer for the treatment of the biomass of origin B1.
The initial gas flow F1, comprising heat-exchange CO 2 used in the treatment of biomass B1 and water vapor extracted from biomass of origin is recycled to reactor R after heat exchange in a heat exchanger E2 and a transit in a mixing chamber Cm, explained below.
The initial gas flow is thus at high temperature when it is introduced into the reactor R. The CO2 is neutral for the reaction of deoxidation of the water vapor, but the water vapor undergoes the reaction
- 13-oxydo-réductrice de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux Fgl comprenant essentiellement du H2 et du C02. H2 est séparé des autres composants du premier flux gazeux, et notamment du C02, dans un système séparateur gazeux industriel S-G, connu par l'homme du métier. Le C02 peut être réutilisé comme gaz caloporteur Ft qui transmettra sa capacité thermique à la biomasse à déshydrater ou à
torréfier. A la sortie du séparateur S-G, le C02 a cédé une partie de sa charge thermique dans l'échangeur El. Il se peut toutefois qu'il soit encore trop chaud pour être utilisable en gaz de traitement Ft, une injection de C0Z
froid Fnsl le régulera alors. L'hydrogène est brûlé sous 02 dans une chaudière à gaz Ch à production de vapeur d'eau surchauffée à très haut rendement. La combustion de l'hydrogène sous 02 permet, d'une part de générer un gaz de combustion Gcl comprenant essentiellement de la vapeur d'eau H20 haute température/basse pression, et d'autre part de générer un deuxième flux gazeux Fg2 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau par chauffage d'un fluide thermodynamique Fth comprenant essentiellement de l'eau. En sortie de la chaudière à gaz Ch, ce deuxième flux gazeux Fg2 comprend essentiellement de la vapeur d'eau haute température et très haute pression. Le gaz de combustion Gcl qui a cédé la plus grande partie de son potentiel thermique au deuxième flux gazeux Fg2, détient encore une charge thermique importante : 10 à 20% du pouvoir calorifique de la combustion de H2 sous 02. La vapeur d'eau contenue dans le gaz de combustion est recyclée dans le réacteur R après passage dans le caisson de mélange Cm où elle sera mélangée au flux gazeux initial F1, c'est-à-dire, à
l'ensemble gazeux de traitement de la biomasse d'origine : C02 + H20 issus de la déshydratation de la biomasse Bi. Le mélange gazeux ainsi formé
devient le nouveau flux initial F1 qui sera recyclé dans le réacteur R, il est à
haute température et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenu dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée. La vapeur d'eau est de nouveau désoxydée au passage de la base thermique et ce en cycle continu.
Le deuxième flux gazeux Fg2 comprenant de la vapeur d'eau surchauffée à très haute pression, obtenue en sortie de la chaudière à gaz Ch, entraîne une turbine à vapeur TAV qui génère de l'électricité par - 13-redox of the thermal base. This disproportionation produces a first Fgl gas stream comprising essentially H2 and CO2. H2 is separated from the other components of the first gas stream, and in particular the C02, in an industrial gas separator system SG, known to man of career. C02 can be reused as heat transfer gas Ft which will transmit its thermal capacity to the biomass to be dehydrated or roasted. At the exit of the separator SG, the C02 has yielded part of its thermal load in the El heat exchanger. However, it may still be too hot to be usable in Ft treatment gas, an injection of C0Z
cold Fnsl will then regulate it. Hydrogen is burned under 02 in a Ch gas boiler with superheated steam production at very high performance. The combustion of hydrogen under 02 allows, on the one hand, generating a combustion gas Gcl essentially comprising steam H20 high temperature / low pressure water, and secondly to generate a second gas stream Fg2 essentially comprising water vapor by heating a thermodynamic fluid Fth essentially comprising some water. At the outlet of the gas boiler Ch, this second gas stream Fg2 basically includes high temperature water vapor and very high pressure. The Gcl combustion gas that gave up most of of its thermal potential to the second gas stream Fg2, still holds a significant thermal load: 10 to 20% of the calorific value of the H2 combustion under 02. The water vapor contained in the gas of The combustion is recycled to the reactor R after passing through the mixture Cm where it will be mixed with the initial gas flow F1, that is to say, with the gaseous set for treating the original biomass: CO 2 + H 2 O
dehydration of Bi biomass. The gaseous mixture thus formed becomes the new F1 initial stream that will be recycled to the R reactor it is at high temperature and participates in the useful heat exchange within the thermal base. All the thermal energy contained in this gas mixture is thus recycled. The water vapor is again deoxidized at the passage of the thermal base and this in continuous cycle.
The second gas stream Fg2 comprising water vapor superheated at very high pressure, obtained at the outlet of the gas boiler Ch, drives a TAV steam turbine that generates electricity through
-14-l'alternateur A accouplé au système. La turbine permet de transformer l'essentiel du couple "température/pression" de la vapeur en énergie mécanique qui entraînera l'alternateur A. En sortie de la turbine à vapeur TAV, on obtient un troisième flux gazeux Fg3, comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à une très basse pression et à basse température. Cette vapeur d'eau est alors comprimée par un compresseur à vapeur C2, à une pression suffisante pour son changement physique à l'état liquide dans le préparateur VAP : l'eau obtenue dans ce préparateur (à la pression relative à l'enthalpie de la vapeur résiduelle) est surchauffée dans l'échangeur El avant d'être réintroduite dans le circuit secondaire de la chaudière à gaz Ch.
Une grande partie de l'énergie résiduelle en sortie de la turbine à vapeur est ainsi recyclée. L'électricité utile à la compression génère de l'énergie thermique par effet "Joule" qui est exploitée par le système, neutralisant ainsi une partie de l'incidence de la consommation d'électricité du compresseur, sur le bilan d'exploitation.
Le recyclage continu de la vapeur d'eau dans le cycle de dismutation et du C02 génère des excédents. L'eau en excédent est rejetée dans l'écosystème. Le C02 en excédent Fn est refroidi dans un aéroréfrigérant E3.
Une partie Fnr de ce C02 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par des moyens compresseurs C1 et stockée dans des moyens de stockage S1.
La figure 3 est une représentation d'un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention faisant intervenir une pile à combustible PAC.
Dans l'exemple d'application représenté sur la figure 3, l'unité 1 est une unité de stockage d'une charge de matière première combustible B1 à haute teneur en carbone. Cette matière première est un combustible pour générer, dans le même temps les conditions physiques et chimiques de la dismutation de la vapeur d'eau contenu dans le flux gazeux initial. Le combustible sera de préférence solide, pour créer les meilleures conditions d'homogénéisation pour la réaction de dismutation de H20.
Le choix du combustible se portera sur une matière première combustible qui sera de préférence renouvelable, soit de la biomasse végétale déshydratée ou torréfiée, ou de la tourbe ou toute autre combustible à forte teneur en carbone. -14-alternator A coupled to the system. The turbine makes it possible to transform most of the couple "temperature / pressure" of the steam into energy mechanical system that will cause the alternator A. At the outlet of the steam turbine TAV, a third gas stream Fg3 is obtained, essentially comprising water vapor at a very low pressure and at a low temperature. This water vapor is then compressed by a steam compressor C2, at a sufficient pressure for its physical change to the liquid state in the preparator VAP: the water obtained in this preparer (at the relative pressure at the enthalpy of the residual steam) is overheated in the heat exchanger before being reintroduced into the secondary circuit of the gas boiler Ch.
Much of the residual energy at the outlet of the steam turbine is thus recycled. Electricity useful for compression generates energy thermal by "Joule" effect that is exploited by the system, neutralizing so part of the impact of electricity consumption the compressor, on the operating balance sheet.
Continuous recycling of water vapor in the disproportionation cycle and CO 2 generates surpluses. The excess water is rejected in the ecosystem. Excess CO 2 Fn is cooled in an air cooler E3.
A part Fnr of this CO2 is rejected to the ecosystem, the rest Fns is compressed by C1 compressor means and stored in means S1 storage.
FIG. 3 is a representation of a third embodiment of the process according to the invention involving a fuel cell PAC.
In the exemplary application shown in FIG. 3, unit 1 is a storage unit of a load of raw material fuel B1 at high carbon content. This raw material is a fuel to generate, at the same time the physical and chemical conditions of the disproportionation of the water vapor contained in the initial gas flow. The fuel will preferably be solid, to create the best conditions homogenization for the H20 disproportionation reaction.
The choice of fuel will be on a raw material which will preferably be renewable, ie biomass dehydrated or roasted vegetable, or peat or any other fuel with a high carbon content.
-15-La charge de matière première combustible B2 à haute teneur en carbone est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où
elle est brûlée sous 02. La matière première combustible forme ainsi la base thermique dont une partie a pour objet de porter et maintenir ladite base thermique à la température de procédé. La combustion complète de cette matière première sous 02 produit du COZ.
Le réacteur R reçoit aussi le flux gazeux initial F1 comprenant de la vapeur d'eau à haute température et basse pression. La vapeur d'eau provenant de l'échangeur El subit la réaction oxydo-réductrice lors du passage au travers de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux Fgl composé essentiellement de H2 et du C02 de la réaction thermique et de la dismutation. Le premier flux gazeux Fgl est à
haute température et basse pression. H2 et C02 sont séparés dans un système "séparateur gazeux" industriel S-G. Le séparateur S-G peut faire partie intégrante de la pile à combustible dont il est alors un des constituant.
Le C02 obtenu Fn est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr du C02 refroidi est rejetée et le reste Fns est compressé par des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage S1. Une partie Fnsl du C02 stocké peut être utilisé pour le refroidissement du système selon l'invention ou pour la sécurité du système.
L'hydrogène obtenu est introduit dans la pile à combustible PAC où il sera mis en réaction chimique par les moyens physiques du système et une injection d'02 industriel. Cette réaction permet, d'une part de générer de l'électricité avec un très haut rendement par rapport au potentiel énergétique mis en oeuvre au départ et, d'autre part de générer un flux gazeux de réaction Fgr comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à
haute température et basse pression.
L'électricité est directement exploitable par tous les moyens conventionnels.
Le flux gazeux de réaction Fgr est donc essentiellement composé de vapeur d'eau à haute température et basse pression qui détient une charge thermique importante. Ce flux gazeux de réaction Fgr comprenant de la vapeur d'eau est recyclé dans le réacteur R après passage dans un échangeur/caisson de mélange E2 et Cm où il est mélangé à un apport de -15-The feedstock feedstock B2 with a high content of carbon is introduced, by a regulating system B, into the reactor R where it is burned under 02. The combustible raw material thus forms the basis a part of which is intended to carry and maintain the said base thermal at the process temperature. The complete combustion of this raw material under 02 produces COZ.
The reactor R also receives the initial gas stream F1 comprising the water vapor at high temperature and low pressure. Water vapor from the exchanger E undergoes the oxido-reducing reaction during the passage through the thermal base. This disproportionation produces a first gaseous flow Fgl composed essentially of H2 and C02 of the thermal reaction and disproportionation. The first gas flow Fgl is at high temperature and low pressure. H2 and C02 are separated in one SG industrial gas separator system. SG separator can do integral part of the fuel cell which he is then one of component.
The CO2 obtained Fn is cooled in an air cooler E3. A part Fnr of the cooled CO2 is rejected and the rest Fns is compressed by means C1 compressors and stored in storage means S1. A part Fnsl of stored CO2 can be used for cooling the system according to the invention or for the safety of the system.
The hydrogen obtained is introduced into the fuel cell PAC where it will be put into chemical reaction by the physical means of the system and a industrial 02 injection. This reaction allows, on the one hand, to generate electricity with a very high yield compared to the potential initially implemented and, on the other hand, to generate a flow of reaction gas Fgr comprising essentially water vapor to high temperature and low pressure.
Electricity is directly exploitable by all means conventional.
The gaseous reaction flow Fgr is thus essentially composed of high temperature and low pressure water vapor that holds a charge important thermal. This gaseous reaction flow Fgr comprising water vapor is recycled to the reactor R after passing through a exchanger / mixing chamber E2 and Cm where it is mixed with a contribution of
-16-HZ0 liquide qui sert d'appoint F1-1. L'H20 liquide est évaporée dans l'échangeur/caisson de mélange E2 et Cm, un système Pch, accouplé à un système de chauffage pour la phase de démarrage, vaporise l'eau d'apport.
Le mélange gazeux ainsi formé, en sortie du caisson de mélange Cm, constitue au moins en partie le flux gazeux initial F1. Ce mélange gazeux est à haute température et basse pression et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenue dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée.
La vapeur d'eau est recyclée dans le réacteur R, elle est ainsi de nouveau désoxydée au passage de la base thermique et cela en cycle continu.
Le recyclage continu de la vapeur d'eau dans le cycle de dismutation et génère des excédents :
- de C02 Fn (produit de la dismutation de H20 par la base thermique, composée de carbone) qui est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr de ce C02 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par des moyens compresseurs C1 et stockée dans des moyens de stockage S1 - de H20, le recyclage permanent de la vapeur d'eau et la combustion de la base thermique peut générer de l'excédent de vapeur d'eau, qui sera alors extrait du circuit de recyclage.
La figure 4 est une représentation d'un quatrième mode de réalisation du procédé selon l'invention faisant intervenir une pile à combustible PAC.
Dans ce mode de réalisation, le système selon l'invention est utilisé pour le recyclage d'un flux gazeux de traitement Ft d'une charge de biomasse B1 et le recyclage (pour la valorisation énergétique et élémentaire) du flux gazeux ayant servi au traitement de la charge de biomasse.
La biomasse B1 est déshydratée ou torréfiée dans l'unité de traitement 1. Après traitement, l'ensemble gazeux extrait comprend :
- le flux gazeux de traitement Ft, du C02 caloporteur de traitement de la charge de biomasse B1, et - de la vapeur d'eau provenant de la biomasse initiale B1.
Cet ensemble gazeux devient alors le flux gazeux initial F1 qui sera recyclé dans le système et procédé selon l'invention. -16-HZ0 liquid that serves as an F1-1 supplement. The liquid H 2 O is evaporated in the exchanger / mixing chamber E2 and Cm, a Pch system, coupled to a heating system for the start-up phase, vaporizes the filler water.
The gaseous mixture thus formed, at the outlet of the mixing chamber Cm, at least partly constitutes the initial gas flow F1. This gas mixture is at high temperature and low pressure and participates in the heat exchange useful within the thermal base. All the thermal energy contained in this gaseous mixture is thus recycled.
The water vapor is recycled in the reactor R, so it is new deoxidized at the passage of the thermal base and this in cycle continued.
Continuous recycling of water vapor in the disproportionation cycle and generates surpluses:
- C02 Fn (product of the disproportionation of H20 by the thermal base, composed of carbon) which is cooled in an air cooler E3. A
part Fnr of this CO2 is released to the ecosystem, the rest Fns is compressed by C1 compressor means and stored in S1 storage means - H20, the permanent recycling of water vapor and combustion of the thermal base can generate excess water vapor, which will then be extracted from the recycling circuit.
FIG. 4 is a representation of a fourth embodiment of the process according to the invention involving a fuel cell PAC.
In this embodiment, the system according to the invention is used for the recycling of a treatment gas stream Ft of a biomass load B1 and recycling (for energy and elemental recovery) of the gas stream used for the treatment of the biomass load.
Biomass B1 is dehydrated or roasted in the treatment 1. After treatment, the gaseous mixture extracted comprises:
the treatment gas flow Ft, the heat-exchange CO 2 treatment of the biomass load B1, and - water vapor from the initial biomass B1.
This gaseous set then becomes the initial gaseous stream F1 that will be recycled in the system and method according to the invention.
- 17-Une partie B3 de la biomasse traitée B1, par exemple en torréfaction ou en séchage, est stockée. Une autre partie de la biomasse B2 est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est mise en réaction thermique sous 02 pour former la base thermique. Une partie de cette biomasse B2 à pour objet de porter et maintenir cette base thermique à la température de procédé. De plus, la combustion complète de la biomasse sous 02 produit du C02 qui peut être utilisé comme flux caloporteur Ft pour le traitement de la biomasse d'origine B1.
Le flux gazeux initial F1, comprenant du C02 caloporteur utilisé dans le traitement de la biomasse B1 et la vapeur d'eau extraite de la biomasse d'origine, est recyclé dans le réacteur R après un échange thermique dans un échangeur thermique E1 et un transit dans un caisson de mélange Cm, expliqué ci-après.
Le flux gazeux initial F1 est ainsi à haute température lorsqu'il est introduit dans le réacteur R. Le C02 est neutre pour la réaction thermique, mais la vapeur d'eau subit la réaction oxydo-réductrice de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux Fgl comprenant essentiellement du H2 et du C02. H2 est ensuite séparé des autres éléments gazeux composant le premier flux, et notamment du C02, dans un système séparateur gazeux industriel S-G, connu par l'homme du métier.
Le C02 peut être réutilisé comme flux gazeux caloporteur de traitement Ft qui transmettra sa capacité thermique à la biomasse à
déshydrater ou à torréfier. A la sortie du séparateur S-G, le COZ a cédé une partie de sa charge thermique dans l'échangeur E1, il se peut toutefois qu'il soit encore trop chaud pour être utilisable en gaz de traitement Ft, une injection de C02 froid Fnsl le régulera alors.
L'hydrogène obtenu est introduit dans la pile à combustible PAC où il sera mis en réaction chimique par les moyens physiques du système et une injection d'02 industriel. Cette réaction permet, d'une part de générer de l'électricité avec un très haut rendement par rapport au potentiel énergétique mis en oeuvre à la base et d'autre part de générer un flux gazeux de réaction Fgr comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à
haute température et basse pression. - 17-Part B3 of the treated biomass B1, for example in roasting or in drying, is stored. Another part of B2 biomass is introduced by a regulating system B into the reactor R where it is placed in thermal reaction under O 2 to form the thermal base. A part of this biomass B2 is intended to carry and maintain this thermal base at the process temperature. In addition, the complete combustion of the biomass under 02 produces CO2 that can be used as a flux coolant Ft for the treatment of biomass of origin B1.
The initial gas flow F1, comprising heat-exchange CO 2 used in the treatment of biomass B1 and water vapor extracted from biomass of origin, is recycled to the reactor R after heat exchange in a heat exchanger E1 and a transit in a mixing chamber Cm, explained below.
The initial gas flow F1 is thus at high temperature when it is introduced into the reactor R. The CO2 is neutral for the thermal reaction, but the water vapor undergoes the oxydo-reductive reaction of the base thermal. This disproportionation produces a first gas flow Fgl essentially comprising H2 and CO2. H2 is then separated from other gaseous elements constituting the first stream, and in particular C02, in an industrial gas separator system SG, known to the man of the job.
CO2 can be reused as a heat-transfer gas stream Ft treatment that will transmit its thermal capacity to the biomass at dehydrate or roast. At the exit of the separator SG, the COZ yielded a part of its heat load in the E1 exchanger, it is possible, however, that is still too hot to be usable in Ft process gas, a Cold C02 injection Fnsl will then regulate it.
The hydrogen obtained is introduced into the fuel cell PAC where it will be put into chemical reaction by the physical means of the system and a industrial 02 injection. This reaction allows, on the one hand, to generate electricity with a very high yield compared to the potential energetically implemented at the base and secondly to generate a flow reaction gas Fgr comprising essentially water vapor to high temperature and low pressure.
-18-L'électricité est directement exploitable par tous les moyens conventionnels.
Le flux gazeux de réaction Fgr comprend essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et basse pression qui détient une charge thermique importante. Ce flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau est introduit dans un caisson de mélange Cm où il est mélangé au flux gazeux extrait de l'unité 1 de traitement de la biomasse, et qui a transité par l'échangeur thermique El où il a acquis une capacité thermique importante.
Le mélange gazeux ainsi formé en sortie du caisson de mélange Cm, constitue au moins en partie le flux gazeux initial F1 et est à haute température et basse pression et participe à l'échange thermique utile au sein de la base thermique. Toute l'énergie thermique contenue dans ce mélange gazeux est ainsi recyclée.
La vapeur d'eau est recyclée et de nouveau désoxydée au passage de la base thermique et cela en cycle continu.
Une partie Fn du C0Z obtenu est refroidie dans un aéroréfrigérant E3.
Une partie Fnr du C02 refroidi est rejetée et le reste Fns est compressé par des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage 51.
Une partie Fnsl du C02 stocké peut être utilisé pour le refroidissement du système selon l'invention ou pour la sécurité du système. L'eau en excédent est aussi rejetée à l'écosystème en sortie de la pile à combustible PAC.
Le C02, qui sera utilisé comme flux caloporteur de traitement Ft, est à
très haute température à la sortie du séparateur. Il échange la plus grande part de sa charge thermique, au flux gazeux extrait de l'unité de traitement de la biomasse, dans l'échangeur El. Ce flux caloporteur sera ensuite régulé, à la température utile à son exploitation, par un apport de C02 froid Fnsl.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples que l'on vient de décrire et peut être utilisée pour une génération d'énergie à partir de tout flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau. -18-Electricity is directly exploitable by all means conventional.
The gaseous reaction stream Fgr essentially comprises steam of high temperature and low pressure water that holds a charge important thermal. This gas stream comprising water vapor is introduced into a mixing chamber Cm where it is mixed with the gas stream extracted from unit 1 of biomass treatment, and which has passed through El heat exchanger where it has acquired a significant thermal capacity.
The gaseous mixture thus formed at the outlet of the mixing box Cm, at least partly constitutes the initial gaseous flow F1 and is at high temperature and low pressure and participates in the useful heat exchange at within the thermal base. All the thermal energy contained in this gaseous mixture is thus recycled.
The water vapor is recycled and deoxidized again at the passage of the thermal base and this in continuous cycle.
An Fn part of the C0Z obtained is cooled in an air cooler E3.
An Fnr part of the cooled CO 2 is discarded and the rest Fns is compressed by Cl compressor means and stored in storage means 51.
A Fns1 part of the stored CO 2 can be used for the cooling of the system according to the invention or for the security of the system. Water in excess is also rejected to the ecosystem at the outlet of the PAC fuel cell.
The CO2, which will be used as heat transfer fluid Ft, is very high temperature at the outlet of the separator. He exchanges the biggest part of its thermal load, to the gaseous flow extracted from the treatment unit of biomass, in the heat exchanger El. This heat transfer flow will then be regulated, at the temperature useful to its exploitation, by a contribution of cold CO2 FNSL.
Naturally, the invention is not limited to the examples that we have just to describe and can be used for energy generation from all gas stream comprising steam.
Claims (18)
- une première étape de désoxydation d'une partie des molécules de vapeur d'eau avec des éléments de carbone à haute température, par passage dudit flux gazeux initial (F1) au travers d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement des éléments de carbone à haute température, ladite désoxydation fournissant un flux gazeux de synthèse comprenant d'une part des molécules d'hydrogène (H2) et des molécules de monoxyde de carbone (CO) générés par la dite désoxydation et, d'autre part du CO2 et des molécules de vapeur d'eau résiduelles (H2O) provenant dudit flux gazeux initial, et - en aval de la dite base thermique, une deuxième étape de désoxydation desdites molécules de vapeur d'eau (H2O) résiduelles au contact desdites molécules de monoxyde de carbone (CO) contenues dans le gaz de synthèse, ladite deuxième désoxydation fournissant un premier flux gazeux (Fg1) comprenant d'une part de l'hydrogène (H2) et du CO2 provenant de ladite deuxième désoxydation et du CO2 provenant du flux gazeux initial ;
ladite base thermique étant réalisée par combustion sous O2 de biomasse dont l'humidité a été diminuée. 1) Process for generating hydrogen from a gas stream (F1), said initially consisting essentially of water vapor (H2O) and CO2, said method comprising the following steps:
a first step of deoxidation of a part of the molecules of water vapor with carbon elements at high temperature, by passing said initial gas stream (F1) through a layer of high temperature material, called base thermal, essentially comprising carbon elements at high temperature, said deoxidation providing a flow gaseous synthesis comprising on the one hand of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) molecules generated by said deoxidation and, on the other hand, CO2 and residual water vapor molecules (H2O) from said stream gaseous initial, and downstream of said thermal base, a second step of deoxidation of said water vapor molecules (H2O) residues in contact with said monoxide carbon (CO) contained in the synthesis gas, second deoxidation providing a first gas stream (Fg1) comprising on the one hand hydrogen (H2) and CO2 from said second deoxidation and CO2 from the stream initial gas;
said thermal base being produced by combustion under O2 of biomass whose humidity has been diminished.
en ce qu'il comprend en outre une étape séparant l'hydrogène (H2) des autres éléments contenus dans le premier flux gazeux (Fg1). 3) Process according to any one of claims 1 or 2, characterized in that it further comprises a step separating hydrogen (H2) from other elements contained in the first gas stream (Fg1).
combustible (PAC) à partir d'au moins une partie de l'hydrogène, ladite génération produisant en outre un gaz de réaction (Fgr) comprenant de la vapeur d'eau (H2O). 5) Process according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises a generation of electricity in a battery fuel (PAC) from at least part of the hydrogen, said generation further producing a reaction gas (Fgr) comprising water vapor (H2O).
en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H2O) contenu dans le gaz de combustion (Gc1) est recyclée pour être de nouveau désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau au travers de la base thermique. 13) Method according to any one of claims 7 to 12, characterized in that at least a portion of the water vapor (H2O) contained in the gas (Gc1) is recycled to be deoxidized again by passage of said water vapor through the thermal base.
en ce que la combustion de l'hydrogène (H2) est réalisée sous O2. 14) Method according to any one of claims 7 to 13, characterized in that the combustion of hydrogen (H2) is carried out under O2.
en ce que la combustion de l'hydrogène (H2) est réalisée sous air. 15) Method according to any one of claims 7 to 13, characterized in that the combustion of hydrogen (H2) is carried out under air.
selon l'une quelconque des revendications précédentes. 18) System comprising the means for implementing the method according to any one of the preceding claims.
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