EP1474500A1 - Gazeification de dechets par plasma - Google Patents

Gazeification de dechets par plasma

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EP1474500A1
EP1474500A1 EP03704111A EP03704111A EP1474500A1 EP 1474500 A1 EP1474500 A1 EP 1474500A1 EP 03704111 A EP03704111 A EP 03704111A EP 03704111 A EP03704111 A EP 03704111A EP 1474500 A1 EP1474500 A1 EP 1474500A1
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EP
European Patent Office
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gas
waste
steam
carbon dioxide
plasma
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Withdrawn
Application number
EP03704111A
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German (de)
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Félicien Absil
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1807—Recycle loops, e.g. gas, solids, heating medium, water
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Definitions

  • Waste pyrolysis can be done in two ways:
  • Plasma technology transforms electrical energy into heat energy and reaches temperatures that no other technology can produce.
  • the phenomenon is maintained by electrical conduction (electric arc) or magnetic induction.
  • This electric arc can be produced between consumable graphite electrodes as used in scrap foundry, it is then said to be of the "transferred arc” type because the current passes through the scrap and / or the conductive slag resulting from the fusion. Otherwise it says "arc not transferred or blown". It is known that following the high temperatures obtained in plasma medium the properties of the gases change.
  • the gas molecules dissociate and evolve towards an atomic state and that for a temperature above 2500 ° C, the molecules are completely dissociated and the atoms gradually lose their electron (s) (s) and are thus in the form of an ionized gas which has a high energy.
  • This energy can be applied among other things to heat, gasify, cause chemical reactions in and / or around the plasma thus created.
  • the plasma For a temperature below 2,000 ° C, the plasma returns to the normal molecular state. In addition, this plasma, compared to a normal gas, has good conductivity and high viscosity.
  • Rare gases such as argon (Ar), helium (He) etc ... can be used as plasma gas.
  • Nitrogen (N 2 ) is not to be considered in order to separate energy production and temperature control.
  • carbon dioxide (CO 2 ) as a plasma gas requires, in addition to a good degree of purity requiring appropriate treatment, to reach the atomic state of oxygen in order to be certain of having broken down everything carbon monoxide (CO) but care must be taken not to exceed the value of 890.5 Kj mole of carbon dioxide (CO 2 ) in order to avoid sublimation of the carbon.
  • the temperature will be controlled by injection of carbon dioxide (CO 2 ) by a means other than that of plasma.
  • Dredging mud offers very little interest. We will pay special attention to urban waste.
  • the general idea of the project consists of:
  • urban waste consists of:
  • FIG. 1 a sectional view of the whole of the reactor.
  • Figure 2 sectional view of the plasma torch.
  • the same references designate the same parts.
  • the installation shown in Figure 1 consists of a reactor 1 comprising a tank 2, a waste supply 3, via a screw 4 controlled by a motor 5.
  • This reactor 1 is provided at its base with a tank 2 intended to receive the slag 14 constituted by the non-gasifiable materials contained in urban waste 3 as well as the slag from electric furnace 11 which will constitute the slag for starting up the installation.
  • the level of the slag 14 which will see its volume increase during operation, will be kept constant by the presence of gargoyles 15. These gargoyles heated by induction will maintain a good fluidity of the slag 14 which at its outlet will be precipitated in the water where it will vitrify.
  • the slag tank 2 is surmounted by a number of plasma torches 6, this number being a function of the quantity of waste to be treated per hour.
  • the plasma torches 6 with electrodes or with induction are provided, as shown in FIG. 2, with a pipe 8 for injecting the plasma gas as well as a pipe 10 providing a ring of protective gas (CO2) which creates at the outlet from the plasma arc a slight depression favoring the stability of the latter while protecting the walls of the reactor from high plasma temperatures.
  • a pipe 8 for injecting the plasma gas as well as a pipe 10 providing a ring of protective gas (CO2) which creates at the outlet from the plasma arc a slight depression favoring the stability of the latter while protecting the walls of the reactor from high plasma temperatures.
  • CO2 protective gas
  • the plasma torches 6 can be supplied electrically at 9 by pulses phase-shifted in time or by a multiphase current. These power supplies mounted in a star with a common point make it possible to create a rotating field thus increasing the zone of influence of the plasma jet.
  • reactor 1 The upper part of reactor 1 is occupied by a heat exchanger 7 which will produce the steam intended for supplying the steam-turbine installation 21 and this steam, recovered from the condenser of said turbine will supply, in cogeneration, a dryer 17 making it possible to dry urban waste 3 and reduce their humidity rate from 40 to 10%.
  • This carbon dioxide (CO2) will be recovered at the outlet by separating it from the burnt gases instead of discharging them into the atmosphere, then it will be conditioned for future storage or future recovery.
  • the main problem of recovering carbon dioxide (CO 2 ) from effluents is its low concentration (4 to 14% depending on the technology) and its low partial pressure, requiring the treatment of large volumes of effluent.
  • the concentration of carbon dioxide (CO2) in the flue gases can be increased up to 90% if the air is replaced by pure oxygen. In this case, the recovery of CO2 is limited to a simple separation of the water vapor in a condenser.
  • the electrical energy is given up to 85% to carbon dioxide (CO 2 ) 8 which crosses the arc produced, which makes it possible to reach temperatures impossible to obtain by any other known method.
  • this applied electrical energy cannot in any case reach 1058 Kj / mole of carbon dioxide (CO 2 ) in order to keep the carbon (C) in the solid state.
  • the steam leaving the dryer 17 will be returned to the coil of the heat exchanger 17 after cooling in a tower 23 in order to return it to the liquid state.
  • the gas 16 leaving the heat exchanger 7 at a temperature of 500K ,. it will pass through an installation 28 (for example NEUTREC process) for neutralizing acids by contact with sodium bicarbonate (2NaHCO 3 ) coming from silo 18 via an endless screw actuated by the motor 25, reduced to powder in the crusher 24 and then blown into the contact reactor 28.
  • the balance loaded with sodium products (sodium chloride, sodium sulfate and sodium carbonate) resulting from this contact will be collected, in a bag filter 19, before being valued as a raw material by the chemical industry.
  • This synthesis gas will be:
  • this synthesis gas composed, depending on the plasma gas chosen, of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) must be enriched in carbon by injection of methane (CH t) from the methanisation of urban waste, before its introduction into the compressor of the gas-steam turbine where it will be burned in the presence of pure oxygen.
  • CO carbon monoxide
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 hydrogen
  • the temperature of the synthesis gas 16 will be lowered to a second level more compatible with the presence of HC1 thanks to a second injection of CO2.
  • the synthesis gas 16 presents a sensible heat which, despite a part reserved for the removal of HC1 and H2S by the NEUTREC process, may in a Turbine-Steam installation 21, produce 500Kw per tonne of waste dried.
  • the expanded steam recovered from the condenser of the turbine 21, which still carries 64% of the sensible heat transformed into steam which supplied the turbine, will be able to dry the waste and bring its H2O content from 40 to 10%.
  • the synthesis gas After treatment with the NEUTREC process which has recovered the sodium products and heavy metals with a melting point above 150 ° C, the synthesis gas will be washed in order to lower its temperature to around 50 ° C and to condense meta heavy such as mercury e.g. still present and then allow separation of the gaseous components by permeation.
  • the washing water will be recovered, filtered by an adequate membrane, which when it is saturated will join the waste to be treated. After a few filtering operations, the heavy metal concentrations in the membrane will allow its recovery.
  • the components of the synthesis gas can be separated and recovered according to their molecular size and their solubility in the membrane in the order of their relative permeation speed, thus releasing H2O, then H2 followed by CO2, CO and finally N2.
  • C will constitute the nanotube, CO2 will be reinjected into CO2 and into unused CO to reconstitute the synthesis gas.
  • H2 or at least part of it will be recovered and stored in the nanotubes or in bottles.
  • the H2 not stored will join CO2, CO in the synthesis gas which will then be made up of CO2, CO, H2.
  • the gas thus reconstituted will be burned in a Turbine-Gas-Steam installation in the presence of O2pur obtained by air permeation.
  • the N2 resulting from the air treatment as well as the N2 extracted from the synthesis gas will be marketed.
  • temperatures compatible with the materials used in its construction to a 3rd injection of CO2 will be formed in the same synthesis gas prior to its admission to the compressor TGV, tandjgf.que, H2O is injected directly into the combustion chamber.
  • the thermal energy developed in the TGV which could produce 1.2KW per Kg of raw waste treated, can be partially transformed into electricity according to the desired goal:
  • the CO2 resulting from the actual combustion will be recovered for storage or recovery while the temperature-regulating CO2 will be reinjected into the combustion components.
  • Partial oxidation of natural gas is a process that brings together CH4 and a controlled amount of O2 in order to obtain CO.
  • This exothermic reaction eliminates the need for a burner and the heat released feeds the steam reforming reaction which is endothermic and takes place in two phases producing CO2 as seen above.
  • the autothermal reforming is a combination of the two previous ones since the fuel is mixed with air or better of PO2pur and H2O. After a delay of putting into service, the reformer goes into self-energizing operation. This is the process envisaged in automotive applications for on-board reforming. But like these predecessors, it produces CO2 and H2.
  • Coke oven gas generally consists of CO and H2 in a proportion of

Abstract

Procédé consistant à récupérer l'anhydride carbonique (CO2) contenue dans les fumées rejetées par les industries, principalement les cimenteries et/ou centrales à charbon et à utiliser tout ou partie de celui-ci pour contrôler les trís hautes températures créées dans un réacteur (1) par une ou plusieurs torches plasma (6), utilisant comme gaz plasmagíne des gaz ou mélanges gazeux contenant moins d'atomes de carbone (qui peut être égal à zéro) que d'atomes d'oxygíne. A utiliser ces hautes températures ainsi produites pour pyrolyser les détritus de toutes sortes (3), compactes et síches afin d'obtenir un gaz de synthíse (16) riche en CO, H2, qui en passant dans un récupérateur de chaleur (7) produirait sans combustion de la vapeur qui sera détendue dans une turbine-vapeur (21) actionnant un alternateur (22) producteur d'électricité. Le gaz de synthíse (16) résultant de ce traitement des déchets (3), constitué de monoxyde de carbone (CO), d'anhydride carbonique (CO2) et d'hydrogíne (H2), sera épuré avant l'extraction de : monoxyde de carbone transformé en nanotubes ; l'hydrogíne qui pourrait être stocké dans des nanotubes et utilisé comme carburant dans des véhicules équipés pour rouler au gaz ; l'azote qui pourrait être commercialisé. Le gaz résultant sera alors brulé dans une installation T.G.V. pour produire de l'électricité et les gaz d'échappement seront transformés en méthanol, par des procédés exposés dans le présent brevet, pour être utilisés comme combustible ou comme carburant pour des futures voitures équipées de piles à combustible.

Description

GAZEIFICATION DE DECHETS PAR PLASMA
La pollution est actuellement mondialement à l'ordre du jour et diverses solutions sont avancées dans ce domaine. En effet le réchauffement de la planète (effet de serre) du à la pollution atmosphérique risque de poser de graves problèmes climatiques si elle n'est pas réduite drastiquement. Cette pollution provient des transports, des transformations de l'énergie, de l'industrie, de l'agriculture ainsi que des usages domestiques.
Il est en effet connu que la quantité de déchets de toutes sortes est, surtout dans les pays les plus développés, en constante augmentation ce qui ne fait qu'aggraver la situation. De plus les dégagements industriels d'anhydride carbonique (CO2) responsables de la pollution atmosphérique représentent pour une zone géographique déterminée, une concentration en un nombre très restreint de lieux d'émission
(cimenteries par ex.)fecilement récupérables.
Dans la pratique actuelle, la présence d'eau (H2O), d'azote (N2) et d'anhydride carbonique (CO2) résultant de la combustion avec l'air comme comburant, la chaleur sensible produite , bien qu'importante, limite l'accès à des températures élevées. II faut éviter la présence d'air et même d'oxygène (O2) et pour ce faire seule la pyrolyse des déchets est envisageable mais cela implique certaines contraintes car il faut:
• compenser la teneur en oxygène (O2) des déchets par un appoint de coke (C) mélangé aux déchets afin de profiter de leur affinité sélective pour augmenter la transformation en monoxyde de carbone (CO) et hydrogène (H2).
• réduire la teneur en eau (H2O) pour limiter l'apport énergétique nécessaire à la pyrolyse.
• atteindre une température suffisamment élevée que pour éviter la formation de goudrons, de dioxine etc. La pyrolyse des déchets peut être effectuée de deux façons:
*> soit l'énergie thermique nécessaire à la pyrolyse est produite à l'extérieur du réacteur contenant les déchets • ces déchets séchés et améliorés par addition de carbone (C) sont introduits dans un réacteur, concentrique à celui dans lequel se produit la combustion de gaz ou de mazout, dans lequel l'oxygène (Q2) et été remplacé par de l'azote (N2) ou de l'anhydride carbonique (CQ2). Ce procédé était antérieurement utilisé pour produire du fuel mi-lourd à τ>artff de vieux pneus. soit l'énergie thermique nécessaire à la pyrolyse est produite à rintérieur du réacteur contenant les déchets.
• par combustion ou oxydation partielle sous atmosphère contrôlée
• sous forme d'électricité extérieure ou en auto-production permettant l'ionisation d'un gaz plasmagène et de là toutes les manipulations de modification que nous souhaitons lui apporter. La technologie du plasma permet de transformer l'énergie électrique en énergie calorifique et d'atteindre des températures qu'aucune autre technologie ne peut produire. Le phénomène est entretenu par conduction électrique (arc électrique) ou induction magnétique. Cet arc électrique peut être produit entre électrodes consommables en graphite comme utilisées en fonderie de ferrailles, il est alors dit du type "arc transféré" car le courant passe dans la ferraille et/ou le laitier conducteur résultant de la fusion. Dans le cas contraire il est dit "arc non transféré ou soufflé". II est connu que suite aux hautes températures obtenues en milieu plasmatique les propriétés des gaz changent. En effet, pour une température supérieure à 2000°C les molécules de gaz se dissocient et évoluent vers un état atomique et que pour une température supérieure à 2500°C, les molécules sont complètement dissociées et que les atomes perdent progressivement leur(s) électron(s) et se trouvent ainsi sous forme de gaz ionisé qui présente une grande énergie. Cette énergie peut être appliquée entre autre pour chauffer, gazéifier, provoquer des réactions chimiques dans et/ou autour du plasma ainsi créé.
Pour une température inférieure à 2.000°C, le plasma retourne à l'état moléculaire normal. De plus, ce plasma, comparé à un gaz normal, présente une bonne conductivité et une haute viscosité.
Des gaz rares tels l'argon (Ar), l'hélium (He) etc ... peuvent être utilisés comme gaz plasmagène. L'azote (N2) n'est pas à envisager ceci afin de séparer production d'énergie et contrôle de température.
Comme l'air est à éviter en tant que gaz plasmagène puisqu'on souhaite traiter les déchets en l'absence d'oxygène (Q2) h. préférence sera donnée à des gaz ou mélanges de gaz plus difficiles à traiter comme, exemple non limnati£ COα, CH3OH+CO2, H2O, etc ...mais ceux-ci nous obligent à des manipulations en fonction du nombre d'atomes de carbone (Ç) et d'oxygène (O2) qu'ils contiennent En effet, ces gaz ou mélanges gazeux devront toujours présenter un nombre d'atomes de carbone (ce dernier pouvant même être zéro) inférieur au nombre d'atomes d'oxygène. Ces gaz amenés à l'état atomique se prêteront, par injection à l'aide d'anhydride carbonique (CO2) comme gaz propulseur, d'une quantité de graphite (C) bien précise, a une manipulation permettant lorsque la température redescendra sous les 2Θ00°C de créer des réaction fortement exothermiques qui produiront, suivant le gaz plasmagène choisi, du monoxyde de carbone (CO) ou du monoxyde de carbone (CO) plus de l'hydrogène (H2).
L'utilisation de ranhydride carbonique (CO2) comme gaz plasmagène impose , en plus d'un bon degré de pureté nécessitant un traitement adapté, d'atteindre l'état atomique de l'oxygène afin d'être certain d'avoir décomposé tout le monoxyde de carbone (CO) mais on veillera à ne pas dépasser la valeur de 890,5 Kj môle d'anhydride carbonique (CO2) afin d'éviter la sublimation du carbone. La température sera contrôlée par injection d'anhydride carbonique (CO2) par voie autre que celte du plasma. En remplacement de ranhydride carbonique (CO2) comme gaz plasmagène, il est possible d'utiliser deux môles d'eau (H2O) mais cela nécessitera aussi l'injection de carbone (C) à raison de 12 gr/môle d'eau. Ces avantages du plasma peuvent être appliqués îans le traitement de pratiquement tous les déchets tels que déchets urbains, boues de stations d'épuration, vieux pneus, combustibles médiocres (lignite, tourbes, schlamms), biomasse, huiles de vidange, etc.... Les boues de dragage quant à elles offrent très peu d'intérêt. Nous nous attacherons spécialement aux déchets urbains. L'idée générale du projet consiste en :
0 l'ionisation de composants gazeux grâce à la chaleur apportée par le plasma
• la gazéification des déchets urbains
• le contrôle des températures par injection d'anhy^tide arbonique (CO2). L'idée nouvelle est basée sur l'injection d'anhydride carbonique (CO2) récupéré sur les lieux d'émission, principalement les cimenteries fours à chaux, centrales au charbon. Le gaz de synthèse résultant de ce traitement servira, à produire de l'électricité, sans aucune combustion, dans une installation turbine-vapeur. De ce gaz de synthèse on extraira en outre des gaz à haute valeur ajoutée, à savoir:
> du monoxyde de carbone (CO) qui pourra servir à la fabrication de nanotubes
> de l'hydrogène (H2) qui pourra être stocké dans ces nanotubes. Cet hydrogène ainsi stocké pourra servir de carburant/combustible pour des applications particulières de zéro pollution. Le reste de gaz de synthèse sera brûlé dans une installation turbine gaz-vapeur et les gaz d'échappement de cette dernière seront transformés en méthanol. Le méthanol servira de combustible mais aussi carburant aux piles à combustible : DMFC (Direct Méthanol Fuel Cell) alimentée par une solution d'eau à 3% de méthanol. PEMFC -h Reformer alimentées au méthanol et qui seront bientôt mises sur le marché. Ce type de pile équipe déjà des véhicules à traction électrique dont le rendement très élevé Permet, à puissance égale et kilométrage identique, de rejeter 2,5 fois moins de CO2 que le même véhicule à moteur thermique.
L'idée développée ci-après est une solution avantageuse apportée au traitement des déchets urbains. Selon des relevés officiels, les déchets urbains sont composés de :
Verres 4,43%
Papiers-cartons 14,35%
Cartons boissons-plastiques 9,08%
Métaux 3,07% Textiles 11,56%
Résidus non classés 4,47%
Matières organiques-déchets verts...39,53%
Déchets spéciaux 0,92%
Fines 12,60% Humidité 40,00%
PCItotal 8,492Kj/Kg Il serait tout à fait techniquement illogique voire irresponsable de perdre cette richesse énergétique potentielle en la brûlant tout simplement. Cette énergie potentielle peut être récupérée grâce à l'application du principe inventif objet du présent brevet. D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation avantageux décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif et faisant référence aux figures annexées : En figure 1 vue en coupe de l'ensemble du réacteur. En figure 2 vue en coupe de la torche plasma. Dans ces figures, les même repères désignent les même pièces. L'installation reprise à la figure 1 se compose d'un réacteur 1 comprenant une cuve 2, une alimentation en déchets 3, via une vis 4 commandée par un moteur 5. Ces déchets 3 préalablement séchés dans un séchoir 17 afin d'amener leur teneur en humidité de 40 à 10%, sont densifiés dans la presse à vis 4 sous atmosphère d'anhydride carbonique (CO2). Ce réacteur 1 est pourvu à sa base d'une cuve 2 destinée à recevoir le laitier 14 constitué par les non gazéifiables contenus dans les déchets urbains 3 ainsi que les scories de four électrique 11 qui constitueront le laitier de démarrage de Finstallation. Le niveau du laitier 14 qui verra son volume augmenter en cours d'exploitation, sera maintenu constant par la présence de gargouilles 15. Ces gargouilles chauffées par induction maintiendront une bonne fluidité du laitier 14 qui à sa sortie sera précipité dans l'eau où il se vitrifiera.
La cuve à laitier 2 est surmontée d'un certain nombre de torches plasma 6 , ce nombre étant fonction de la quantité de déchets à traiter par heure.
Les torches plasma 6 à électrodes ou à induction sont pourvues, ainsi que montré figure 2, d'un conduit 8 d'injection du gaz plasmagène ainsi que d'un conduit 10 fournissant un anneau de gaz protecteur (CO2) qui crée à la sortie de l'arc plasma une légère dépression favorisant la stabilité de ce dernier tout en protégeant les parois du réacteur des fortes températures du plasma.
Les torches plasma 6 peuvent être alimentées électriquement en 9 par des impulsions déphasées dans le temps ou par un courant multiphasé. Ces alimentations montées en étoile avec un point commun permettent de créer un champ tournant augmentant ainsi la zone d'influence du jet plasmatique.
La partie supérieure du réacteur 1 est occupée par un échangeur thermique 7 qui produira la vapeur destinées à l'alimentation de l'installation turbine-vapeur 21 et cette vapeur, récupérée au condenseur de ladite turbine alimentera, en cogénération, un séchoir 17 permettant de sécher les déchets urbains 3 et de ramener leur taux d'humidité de 40 à 10%.
Pour le démarrage du réacteur 1 d'une telle installation, nous avons besoin : ° d'avoir une alimentation électrique extérieure
• de choisir un gaz plasmagène 8 permettant d'obtenir du monoxyde de carbone (CO) ou du monoxyde de carbone (CO) + de l'hydrogène (Eb)
• que la cuve 2 soit remplie d'une certaine quantité de scories solidifiées 11 provenant, -par exemple, d'un four électrique. • de récupérer l'anhydride carbonique (CO2) rejeté sous forte concentration par une industrie (cimenteries, fours à chaux etc.).
Cet anhydride carbonique (CO2 )sera récupéré en sortie en le séparant des gaz brûlés au lieu de les rejeter dans l'atmosphère, puis il sera conditionné pour un futur stockage ou une future valorisation. Le principal problème de la récupération de ranhydride carbonique (CO2) dans les effluents est sa faible concentration (4 à 14% selon les technologies) et sa faible pression partielle nécessitant de traiter des grands volumes d'effluents.
Dans les centrales la concentration en anhydride carbonique ( CO2) dans les gaz brûlés peut être augmentée jusqu'à 90% si l'air est remplacé par de l'oxygène pur. Dans ce cas, la récupération du CO2 se limite à une simple séparation de la vapeur d'eau dans un condenseur.
En contrôlant l'énergie électrique 9 appliquée aux torches à plasma 6 alimentées en anhydride carbonique (CO2 ) 8 choisi parmi d'autres comme gaz plasmagène, on obtient la réaction suivante: CO2 (gaz) + 890,5 kJ • C (solide) +2 O (gaz)
L'énergie électrique est cédée à 85% à ranhydride carbonique (CO2) 8 qui traverse l'arc produit ce qui permet d'atteindre des températures impossibles à obtenir par toute autre méthode connue. Cette énergie électrique appliquée ne pourra néanmoins en aucun cas atteindre 1058 Kj/môle d'anhydride carbonique (CO2) afin de conserver le carbone (C) à l'état solide.
On procédera ensuite à l'injection de graphite (C) propulsé par de l'anhydride carbonique (CO2) en quantité adéquate afin d'obtenir: 2 C (solide) + 2 O (gaz) Pour contrôler la très haute température résultant de l'énergie de dissociation moléculaire du gaz plasmagène choisi, augmentée de la chaleur sensible issue de la réaction exothermique réalisée sous 2000°C, à savoir:
2C + O2 = 2CO + 553.000 Cal. et comme nous souhaitons travailler vers 1500°C (1773° ) température ou la fluidité du laitier acide utilisé est la même que celle d'un laitier basique à 1700°C (1973°K), il est nécessaire d'injecter par des tuyères 12 des quantités importantes de gaz ou mélange de gaz ne possédant aucun pouvoir calorifique, entre autre gaz, de ranhydride carbonique
(OO2). Par mesure de précaution une seconde injection d'anhydride carbonique (CO2) abaissera la température du gaz 16 passant dans réchangeur thermique 7 vers 1200°C. (1473°K). A cette température et malgré les pertes inhérentes à toute technologie, la chaleur sensible résultante est encore suffisante pour assurer la production par une installation Turbine- Vapeur, de 70% de l'énergie électrique consommée par le plasma La vapeur sous pression 20 sortant de réchangeur thermique 7 alimentera un groupe turbine-vapeur 21 couplée à un alternateur 22 produisant ainsi de l'électricité et la vapeur provenant du condensateur de ladite turbine alimentera en cogénération un séchoir 17 servant à abaisser l'humidité des déchets de 40% à 10% avant leur introduction dans le système vis sans fin 4. La vapeur sortant du séchoir 17 sera ramenée dans le serpentin de l'échangeur thermique 17 après refroidissement dans une tour 23 afin de la ramener à l'état liquide. Quant au gaz 16 sortant de l'échangeur thermique 7 à une température de 500K,. il passera dans une installation 28 (par exemple procédé NEUTREC) de neutralisation des acides par contact avec du bicarbonate de sodium (2NaHCO3) provenant du silo 18 par l'intermédiaire d'une vis sans fin actionnée par le moteur 25, réduit en poudre dans le broyeur 24 et ensuite insufflé dans le réacteur contact 28 . Le reliquat chargé de produits sodiques (chlorure de sodium, sulfate de sodium et carbonate de sodium ) résultant de ce contact sera récolté, dans un filtre à manche 19 , avant d'être valorisé comme matière première par l'industrie chimique. Ce gaz de synthèse sera:
• lavé par eau de manière à encore diminuer sa température à environ 50°C
• débarrassé des impuretés qu'il pourrait encore transporter. • et enfin introduit dans les tours de perméation afin d'en extraire les gaz à haute valeur ajoutée qu'il contient. Ensuite ce gaz de synthèse composé, selon le gaz plasmagène choisi, de monoxyde de carbone (CO), d'anhydride carbonique (CO2) et d'hydrogène (H2) devra être enrichi en carbone par injection de méthane (CH t) provenant de la méthanisation de déchets urbains, avant son introduction dans le compresseur de la turbine-gaz-vapeur où il sera brûlé en présence d'oxygène pur.
La température atteinte dans la chambre de combustion de cette installation turbine- gaz- vapeur devra être ramenée à des valeur compatibles avec les matériaux constitutifs de l'installation et cela : par injection dans le gaz de synthèse d'anhydride carbonique (CO2) avant introduction dans la chambre de combustion •• ainsi que d'eau dans cette dernière. Si nécessaire, il sera toujours possible d'injecter de l'eau dans les gaz d'échappement provenant de la turbine et constitué uniquement d'anhydride carbonique (CO2) et d'eau (H2O) pour atteindre le rapport CO2/H2O = 11/9 tout en leur conservant une température de 500°K
Ces gaz d'échappement seront alors transformés en méthanol selon une technologie développée après le paragraphe relatif au service continu de l'installation. En service continu, le laitier 14 étant maintenu à la bonne température et la bonne fluidité compte tenu de son Ph, grâce à l'action régulatrice des températures exercée par unelère injection d'anhydride carbonique (CO2), l'atmosphère du réacteur 1 étant composée uniquement de CO et CO2, les déchets ramenés à 10% d'humidité, enrichis par addition de coke afin de fixer l'oxygène présent dans leur composition chimique, peuvent être introduits dans le réacteur 1. Us tomberons dans le laitier 14 où par différence de densité, ils flotteront le temps d'être foudroyés par le souffle du plasmalls pyrolyseront dans le laitier 14 et dans une ambiance sans oxygène, produiront un gaz de synthèse riche en CO, CO2, H2, N2, HC1, H2S à une températurede 1er niveau tout en y déposant les non gazéifiables. Le niveau du laitier 14 augmentera jusqu'à atteindre le trop plein 15 d'où il sera précipité dans de l'eau où il se vitrifiera.
Selon le principe de précaution, la température du gaz de synthèse 16 sera abaissée à un 2cme niveau plus compatible avec la présence de HC1 grâce à une 2cme injection de CO2. A cette température de 2cme niveau, le gaz de synthèse 16 présente une chaleur sensible qui malgré une partie réservée à l'enlèvement de HC1 et H2S par le procédé NEUTREC, pourra dans une installation Turbine-Vapeur 21, produire 500Kw par tonne de déchets séchés. La vapeur détendue récupérée au condenseur de la turbine 21, encore porteuse de 64% de la chaleur sensible transformée en vapeur qui alimenta la turbine, pourra assurer le séchage des déchets et amener leur teneur en H2O de 40 à 10%.
Après le traitement par le procédé NEUTREC qui a récupéré les produits sodiques et les métaux lourds à point de fusion supérieure à 150°C, le gaz de synthèse sera lavé afin d'abaisser sa température aux environs de 50°C et de condenser des métaus lourds tels que le mercure par ex. encore présents et permettre alors une séparation des composants gazeux par perméation. L'eau de lavage sera récupérée, filtrée par une membrane adéquate, qui lorsqu'elle sera saturée ira rejoindre les déchets à traiter .Après quelques opérations de filtrage les concentrations en métaux lourds dans la membrane, en permettront la récupération.
Par la perméation, les composants du gaz de synthèse pourront erre séparés et récupérés selon leur taille moléculaire et leur solubilité dans la membrane dans l'ordre de leur vitesse de perméation relative, dégageant ainsi H2O, puis H2 suivi de CO2, de CO et enfin N2. CO pourra être transformé en nanotubes selon la formule 2CO = CO2 + C
C constituera le nanotube, CO2 sera lui réinjecté dans le CO2 et dans le CO inutilisé pour reconstituer le gaz de synthèse.
H2 ou tout au moins une partie sera récupérée et stockée dans les nanotubes ou en bouteilles. Le H2 non stocké ira rejoindre CO2, CO dans le gaz de synthèse qui sera alors constitué de CO2, CO, H2.
Le gaz ainsi reconstitué sera brûlé dans une installation Turbine-Gaz- Vapeur en présence de O2pur obtenu par perméation de l'air. Le N2 qui résulte du traitement de l'air ainsi que le N2 extrait du gaz de synthèse seront commercialisés. Afin d'obtenir dans la chambre de combustion des températures compatibles avec les matériaux utilisés pour sa construction une 3eme injection de CO2 sera pratiquée dans le gaz de synthèse même avant son admission dans le compresseur de la T.G.V., tandjgf.que, H2O sera injectée directement dans la chambre de combustion. L'énergie thermique développée dans la T.G.V. qui pourrait produire 1,2KW par Kg de déchets brut traité, peut être transformée partiellement en électricité en fonction du but recherché :
Si nous cherchons à produire du CO2 pour permettre la récupération des rejets industriels en remplaçant le rôle joué par N2 dans la combustion en présence d'air par du CO2 dans la combustion en présence d'O2pur et ainsi en augmenter la concentration.
Si nous cherchons à transformer le CO2 en méthanol mais pour ce faire ,il faut du H2 qui peut être produit par différentes techniques.
Dans la première application, nous devons tenir compte que pour une chaleur sensible déterminée produite lors d'une combustion utilisant l'air comme comburant, l'azote présent dans l'air joue un rôle limitateur de la température. Si nous produisons la même chaleur sensible en utilisant de l'oxygène pur, la température atteinte sera beaucoup plus élevée et une injection de CO2 s'avérera nécessaire pour rester dans les même conditions de température que l'expérience précédente. Par ce procédé, la concentration en CO2 des fumées peut passer de quelques % à 90% et après traitement habituel des fumées, la récupération du CO2 se limite à une simple séparation de la vapeur d'eau dans un condenseur.
Le CO2 résultant de la combustion proprement dite sera récupéré en vue de son stockage ou de sa valorisation tandis que le CO2 régulateur de la température sera réinjecté dans les composants de la combustion.
Dans la seconde application, nous proposons de transformer le CO2 en méthanol en le faisant réagir avec du H2 produit par le reformage du gaz naturel CH4 en présence de
H2O.
Pour produire de l'hydrogène, plusieurs possibilités sont étudiées, certaines sont déjà arrivées à maturité technologique.
La production d'hydrogène à partir de carburants fossiles est actuellement la plus répandue, mais elle ne constitue qu' une solution d'attente puisque tous ces carburants ont une durée de vie limitée, de plus, si même leur efficacité est de 85 à 90%, cette technique génère du CO2. On distingue trois procédés : Le vaporeformage du gaz naturel se scinde en deux réactions, la première est la réaction du méthane avec l'eau à 800-900°C qui produit en présence de catalyseurs appropriés du CO et du H2, la seconde est la réaction entre H2O et le CO qui produit du CO2 et du H2. Non seulement cette technique produit du CO2 mais elle exige un brûleur qui lui aussi produit du CO2.
L'oxydation partielle du gaz naturel est un procédé qui met en présence le CH4 et une quantité contrôlée d'O2 afin d'obtenir du CO. Cette réaction exothermique permet de se passer de brûleur et la chaleur dégagée alimente la réaction de vaporeformage qui elle est endothermique et se déroule en deux phases produisant du CO2 comme vu précédemment.
Le reformage autotherme est une combinaison des deux précédents puisque le carburant est mélangé avec de l'air ou mieux de PO2pur et H2O.Après un délai de mise en service, le reformer passe en fonctionnement d' autoalimentation énergétique. C'est le procédé envisagé dans les applications automobiles pour un reformage embarqué. Mais comme ces prédécesseurs, il produit CO2 et H2.
La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau ne rejette pas de CO2 pour autant que l'électricité nécessaire à son application soit produite par une centrale qui ne rejette pas de CO2. Seul le prix du Kwh et le rendement de cette application écologique en entravent le développement.
La production d'hydrogène par le reformage des gaz résultant de la gazéification de la biomasse ,produira aussi du CO2. Selon la théorie en vigueur actuellement, cette production de CO2 ne pourra jamais être supérieure à la quantité de CO2 absorbée pendant la vie de cette biomasse ou que la biomasse de remplacement absorbera au cours de sa vie. Le problème vient du fait que le rejet de CO2 se fait maintenant alors que la biomasse de remplacement aura besoin de toute sa vie pour l'absorber.
En l'absence d'une électrolyse vraiment économique et efficace, nous sommes contraint d'adapter les reformages existants à la transformation non seulement du CO2 qu'ils produisent mais aussi à du CO2 d'origines étrangères.
Ce nouveau procédé s'inspire du reformage autotherme en l'adaptant au problème posé par l'arrivée du CO2 provenant de l'extérieur, soit du traitement des déchets soit du CO2 rejeté par l'industrie. Comme dans le reformage autotherme, nous injectons ensemble CH4, H2O et O2pur dans les proportions adéquates et en présence des catalyseurs appropriés, ce qui donne :
Réacteur 1 à 900°C
4CH4+ 1/2O24- 3H2O =CH4 + 1/2O2 +3CH4 + 3H2O = CO + 2H2 + 391000Cal + 3CO + 9H2 - 3qCal = 4CO + 11H2 + ( 391000 - 3q )Cal Sortant du réacteur 1, mélange qu'il faudra refroidir à 300°C Réacteur 2 injection de 4H2O + CO2* CO2* représente le CO2 extérieur
4CO + 11H2 + 4H2O + CO2* 4CO2 + 4H2 + 11H2 + CO2* 5CO2 + 15H2 Sortant du réacteur 2, mélange qu'il faudra refroidir Réacteur 3
5CO2 + 15H2 = 5CH3OH + 5H2O + 340KJ A refroidir pour séparer CH3OH et H2O.
Une méthode un peu particulière pourrait aussi trouver une application dans la transformation des rejets de CO2 en méthanol. Le gaz de cokerie est généralement constitué de CO et H2 dans une proportion de
3,5% de CO et 62,5% de H2 .11 contient aussi 20% de CH4 et 2% de CO2 et 0,5% O2. Cette composition chimique donne :
Gaz de cokerie 20 moles de CH4 + 0,5 moles de O2 + 9,5 moles O2ext.
320grs CH4 + 16grs O2 + 304grsO2ext = 560grsCO + 80grsH2 Contenu dans le gaz 3,5moles de CO ou 98grsCO
Total = 658grsCo + 80grsH2 si nous faisons réagir avec H2O qui est une réaction exothermique, il vient
658grs CO + 80grsH2 + 423grsH2O = 1034grsCO2 + 127grsH2
Contenu dans le gaz 66grsCO2 + 125grsH2 Soit un total de 1 lOOgrs CO2 + 252grs H2
Si nous ajoutons le CO2* à concurrence de 748grs il vient : 1848grs CO2 + 252grsH2
1848grsCO2 + 252grsH2 = 1344grsCH3OH + 756grsH2O 42 moles CO2 + 126 molesH2 ≈ 42 molesCH3OH + 42 molesH2O Soit CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O
Ou 5CO2 + 15H2 = 5CH3OH + 5H2O + 340KJ à séparer dans un condenseur Le CH3OH n'est pas plus polluant que le gaz naturel, en effet CH3OHliq + 3/2O2 = CO2 + 2H2O + 1515,9Kj CH4gaz + 2O2 = CO2 + 2H2O + 2400KJ Par un préchauffage, au sein du four, on obtiendra
CH3OHgaz + 3/2O2 = CO2 + 2H2O + 2400KJ

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production d'électricité et de sous produits tels que hydrogène, nanotubes, méthanol eau pure etc.. obtenus à partir des déchets urbains ou autres caractérisé en ce qu'on introduit dans un réacteur (1), par rintermédiaire d'une vis sans fin (4), des déchets (3) compactés et séchés, enrichit en carbone (coke) qu'on gazéifie par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs torches plasma (6) pour produire un gaz de synthèse (16) qui permet de chauffer les serpentins d'un échangeur thermique (7) afin de produire de la vapeur qui détendue dans une turbine-vapeur (21) actionne un alternateur (22) pour produire de l'électricité.
2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que tous les types de gaz ou mélanges de gaz peuvent être utilisés comme gaz plasmagène à condition qu'ils contiennent moins d'atomes de carbone, celui-ci pouvant même être zéro, que d'atomes d'oxygène
3. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que au démarrage du réacteur (1) on introduit une certaine quantité de scories solidifiées (11) provenant par exemple d'un four électrique en vue de constituer le laitier de fusion (14) où les déchets (3) viendront pyrolyser.
4. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que tant au démarrage qu'en fonctionnement continu, du carbone sous forme graphitique propulsé par de l'anhydride carbonique (CO2) sera injecté dans le plasma afin d'obtenir selon le gaz plasmagène utilisé CO ou CO +. H2
5. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'en période de démarrage, le gaz de synthèse (16) sera enrichi par injection de méthane, pouvant éventuellement provenir de la méthanisation des déchets (3), juste avant son introduction dans le compresseur de la turbine gaz vapeur.
6. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que vu les hautes températures produites par la réaction en milieux plasmagène, cette dernière est contrôlée par injection d'une certaine quantité d'anhydride carbonique (CO2) ou d'anhydride carbonique (CO2) + eau (H2O), cette dernière si les conditions le permettent (absence de chlore entre autre).
7. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'en sevice continu, le trop plein de laitier en fusion,s'évacue par des gargouilles qui chauffées par induction maintiennent sa fluidité pour le précipiter dans l'eau où il se vitrifiera.
8. Procédé suivant la revendication 1 précédente caractérisé en ce qu'on extrait du gaz de synthèse (16), par tout moyen connu, les éléments nocifs tels que l'acide chlorhydrique (HC1), l'anhydride sulfureux (H2S) ou autres ainsi que certains métaux lourds dont le point de fusion est supérieur à la température de travail du système.
9. Procédé suivant la revendication 1 précédente caractérisé en ce que tant au démarrage qu'en service continu, la vapeur récupérée au condenseur de la turbine vapeur alimentera en cogénération le séchoir destiné à réduire le taux d'humidité des déchets de 40 à 10%.
10. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que après lavage, les composants du gaz de synthèse refroidi à 50°C seron éventuellement extraits par le procédé de perméation et valorisés : La partie de CO extraite sera transformée en nanotubes
La partie de H2 extraite pourra erre stockée dans ces nanotubes
L'azote sera commervcialisée
L'eau extraite sera récupérée au titre d'eau pure
11. Procédé suivant la revendication 10 précédente caractérisé en ce que le gaz de synthèse reconstitué sera, brûlé, en présence d'O2pur, dans une installation Turbine- Gaz- Vapeur ou T.G.V. afin de produire à nouveau de l'électricité.
12. Procédé suivant la revendication 11 précédente caractérisé en ce que tant au démarrage qu'en service continu la température de la chambre de combustion sera contrôlée par injection de CO2 dans le gaz de synthèse avant son introduction dans le compresseur de la T.G.V. mais aussi par injection de H2O dans la chambre de combustion elle meme.Dans la mesure du possible, ces injections seront réalisées pour obtenir un gaz d'échappement composé uniquement de CO2 et H2O dans Je rapportCO2/H2O=l 1/9
13. Procédé suivant les revendications précédentes 2et6 caractérisé en ce que lé CO2 peut remplacer l'azote dans le rôle de régulateur des températures qu'elle joue dans les fours utilisant l'air comme comburant, lorsque ceux ci utilisent PO2pur comme comburant afin d'augmenter la concentration en CO2 et en faciliter la récupération par simple séparation CO2, H2O dans un condenseur en vue de son utilisation selon les revendications 2 et 6.
14. Procédé suivant les revendications précédentes 13 caractérisé en ce que le CO2 résultant de la combustion sera récupéré en vue d'un stockage ou d'une valorisation future tandis que le CO2 de régulateur de température sera réinjecté dans le circuit de combustion.
15. Procédé suivant les revendications précédentes 12 caractérisé en ce les gaz d'échappement de la turbine gaz-vapeur composé uniquement de CO2 et H2O seront transformés en méthanol par adjonction d'une quantité adéquate de méthane (CH- en vue de servir de combustible rt/ou de carburant pour des véhicules à pile à combustible (PEMFC+Reformer ou DMFC) qui rejettent beaucoup moins d'anhydride carbonique (CO2) que les moteurs thermiques
16. Procédé suivant les revendication précédentes caractérisé en ce que la revendication 15 s'applique aussi au CO2 rejeté par les industries
17. Procédé suivant revendications précédentes 15 et 16 caractérisé en ce que la quantité adéquate de CH4 peut erre remplacée par quantité adéquate de gaz de cokerie.
18. Procédé suivant revendications précédentes caractérisé en ce que un préchauffage adéquat dans l'enceinte du four permet au méthanol d'être aussi performant que le gaz naturel sans pollution supplémentaire
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