EP2071928A2 - Procédé de génération d'une source d'énergie à partir d'un flux gazeux humide - Google Patents

Procédé de génération d'une source d'énergie à partir d'un flux gazeux humide

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EP2071928A2
EP2071928A2 EP07848226A EP07848226A EP2071928A2 EP 2071928 A2 EP2071928 A2 EP 2071928A2 EP 07848226 A EP07848226 A EP 07848226A EP 07848226 A EP07848226 A EP 07848226A EP 2071928 A2 EP2071928 A2 EP 2071928A2
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EP
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water vapor
hydrogen
gas stream
process according
combustion
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Withdrawn
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EP07848226A
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German (de)
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Raymond Guyomarc'h
Bernard Weil
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Original Assignee
Bio3D Applications
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method of generating a renewable energy source from a gas stream and the application of this energy source for the production of high efficiency electricity. It also relates to a system implementing the method according to the invention.
  • the field of the invention is the field of generating an energy source.
  • the invention is more particularly applicable to the generation of a source of energy from a gaseous flow, comprising water vapor, and having served in any treatment, or produced by any method or system .
  • An object of the invention is to provide a method and a system for generating an energy source from a gas stream comprising steam with better performance than current methods and systems.
  • Another object of the invention is to propose a method and a system that make it possible to generate a source of energy from a gas stream in a 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 of at least a portion of the steam of water by passage of the initial gas flow through a layer of redox material at high temperature, called thermal base, essentially comprising carbon elements at high temperature, the deoxidation to obtain a first gas stream comprising the 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 the water vapor present in the initial gas stream, thanks to carbon elements at high temperature. Hydrogen generated is the source of energy, which represents a very important energy value.
  • the process 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 initial flow, but also a large part of the deoxidation energy of the H 2 O molecule by the generating hydrogen from this water vapor.
  • the method according to the invention makes it possible to generate more energy than current methods and systems.
  • hydrogen, vector of this energy is exploitable in many known industrial systems.
  • the initial gas flow may comprise water vapor originating from an industrial process of the implantation site, the recycling of water vapor after combustion of hydrogen, or thermomechanical means for vaporizing a volume of water. water when starting the system.
  • the thermal base essentially comprises carbon elements at high temperature, and makes it possible to provide in a single system, the thermal energy and the carbon elements to achieve the deoxidation of the water vapor and the production of H 2 .
  • the carbon elements can be those of the chemical composition known raw materials such as coal, lignin, peat, plant or animal biomass.
  • the process according to the invention makes it possible to achieve a higher exploitable energy yield than that of the processes and current systems.
  • the thermal base comprising carbon at high temperature makes it possible 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 steam. water, and on the other hand to 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 carbon elements at high temperature so as to produce hydrogen by the following deoxidation reactions:
  • the method according to the invention may further comprise a step separating hydrogen from the other elements contained in the gas stream after deoxidation of the water vapor. This separation can be achieved by commercially available devices that can be easily implemented.
  • the process according to the invention may comprise a storage of hydrogen, obtained during the separation step.
  • the method according to the invention may comprise generating electricity in a fuel cell from at least part of the hydrogen, this generation further producing a reaction gas.
  • the reaction gas essentially comprises water vapor which can be recycled and deoxidized through the base to produce hydrogen, which will be used again to generate electricity in the fuel cell, in a continuous cycle.
  • the process according to the invention may advantageously also comprise a combustion of at least a portion of the hydrogen in a gas boiler, said combustion producing thermal energy and a combustion gas comprising water vapor at room temperature. high temperature and low pressure.
  • the combustion of hydrogen can also be carried out in a gas turbine, a gas engine, or a conventional boiler for steam production.
  • the combustion of hydrogen in the steam boiler can be carried out under O 2 .
  • the gas flow of combustion substantially comprises only water vapor at very high temperature and low pressure.
  • the combustion of hydrogen can be carried out under air.
  • thermodynamic fluid essentially comprising water vapor at high temperature and high pressure.
  • At least part of the high temperature and high pressure water vapor can also be used in a system dedicated to the production of mechanical and / or electrical energy.
  • at least a portion of the water vapor contained in the second gas stream is used to produce electricity in a steam turbine, or a turboalternator, this generation of electricity further comprising a generation of a third gas stream comprising low pressure and low temperature water vapor.
  • the temperature / pressure pair that can be obtained in the system and method according to the invention can reach very high levels that allow electricity production to be achieved, at the highest efficiency of the existing and future systems and of increase the efficiency of electricity production compared to the thermal potential originally implemented.
  • the method according to the invention may further comprise a compression of at least a portion of the low temperature and low pressure water vapor contained in the third gas stream causing said water vapor to a condensation pressure.
  • This compression can be achieved in compressor means disposed at the outlet of a steam turbine.
  • the process according to the invention may comprise a recovery of at least a portion of the condensation energy of the water vapor obtained after compression.
  • the method may further comprise raising the temperature of at least a portion of the water vapor contained in the third stream.
  • the method according to the invention may comprise a recycling of at least a portion of the combustion gas comprising water vapor, by passing at least a portion of this gas through the redox thermal base. , for a new deoxidation of said vapor in this gas, this deoxidation again producing hydrogen.
  • the permanent recycling of the gas flows logically restores the entirety of the energy potential that they contain less the losses inherent in the systems and materials used for the invention.
  • the entire residual heat capacity of the water vapor can thus be recovered at the thermal base and deduces the energy to be supplied to condition the redox carbon elements and allow the disproportionation or deoxidation. water vapor.
  • the hydrogen obtained is again transferred to the energy cogeneration system, and this in a continuous cycle.
  • the thermal base In this recycling mode, the thermal base must be able to deoxidize water vapor continuously, the amount of carbon at high temperature must therefore be sufficient. High temperature carbon supply must be continuous.
  • At least a portion of the water vapor contained in the flue gas may be mixed with at least a portion of the water vapor obtained in a peripheral system.
  • 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 a continuous cycle.
  • At least part of the water vapor of the third stream, compressed at a condensation pressure and then raised in temperature, can be recycled and used to produce electricity in a steam turbine, after a rise in its temperature and his pressure.
  • the rise in temperature of the water vapor can be achieved by the thermal energy present at the thermal base or by the thermal energy obtained by combustion of hydrogen in a gas boiler, or both. .
  • the method according to the invention may comprise a generation of the thermal base by combustion of plant biomass or coal.
  • the combustion of biomass can be carried out under O 2 or under air.
  • the biomass whose combustion makes it possible to generate the thermal base may comprise plant biomass whose moisture has been previously reduced, such as air-dried biomass, dried biomass in a processing unit, roasted biomass, etc.
  • the initial gas flow may comprise at least a portion of a gaseous flow for treating a biomass feedstock, such as the gaseous dehumidification, drying or roasting flux of a biomass feedstock.
  • a gaseous flow for treating a biomass feedstock such as the gaseous dehumidification, drying or roasting flux of a biomass feedstock.
  • the water vapor present in the initial gas stream comes from the dried, dehumidified or roasted biomass.
  • the initial gas flow may comprise CO 2 or any other neutral gas which has served as a dehydration and treatment heat transfer vector.
  • the thermal base comprises high temperature carbon elements, it is preferable that the initial gas flow comprises CO 2 .
  • the separation of hydrogen and CO 2 at least a portion of the CO 2 can also pass through at least one heat exchanger to reach a temperature required for a predetermined treatment and be used directly in the treatment in question.
  • the treatment in question may be roasting, drying, dehumidification, etc. a load of wood for example.
  • the thermal base used in the process according to the invention can be ignited at a temperature which is controlled by injecting oxygen into the core 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.
  • a system for generating energy from an initial gas flow comprising water vapor comprising:
  • thermal base means for generating a layer of high temperature material, called thermal base, essentially comprising carbon at high temperature
  • the generation means comprise a thermal generator designed to generate at least a portion of the thermal base, the generator being also provided for deoxidizing at least a portion of the water vapor that passes through the thermal base.
  • the thermal base can be 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. whose moisture has been reduced by prior treatment. This combustion produces carbon elements at high temperature, at least a portion of which can be used to make the thermal base, and used as a high temperature redox carbon.
  • the heat generator may be provided with a system for regulating the temperature of the walls, by circulating a coolant.
  • the generator may comprise double walls between which the coolant, for example pressurized water, can circulate.
  • the heat transfer liquid can also be projected on the walls of the thermal generator.
  • the heat generator may comprise a grate hearth adapted to receive the thermal base and arranged to carry out the transfer of the combustion gases from a biomass feedstock that at least partly provides the thermal base and the initial gas flow.
  • the grate hearth may advantageously be provided with a cooling system by circulating a heat transfer fluid in the grids of the fireplace.
  • the thermal generator may also include means for injecting oxygen.
  • the injection of oxygen can, on the one hand, be used to achieve the combustion of a solid fuel for the generation of the thermal base, and on the other hand, the regulation of the temperature at the thermal base .
  • the generator may also comprise means for capturing and separating the hydrogen obtained by deoxidation of the water vapor.
  • the thermal generator may in particular comprise a gas flow expansion chamber having passed through a high temperature thermal base.
  • This relaxation chamber is implemented in particular to complete the disproportionation of residual water vapor molecules in H 2 in contact with carbon monoxide elements from the incomplete combustion of carbon at high temperature.
  • the heat generator may comprise at least one heat exchanger, this heat exchanger being provided for making heat exchanges between the first gaseous flow, consisting of essentially CO 2 and H 2 at high temperature and a heat transfer fluid, which may be that of a cooling circuit of a portion of the thermal generator system.
  • This fluid takes charge of the thermal energy of said gaseous assembly to transfer it to an electricity cogeneration system, for example a turboalternator.
  • the system according to the invention may further comprise a device for producing water vapor, by valuing the thermal energy from any element of the system.
  • the system may further comprise means for storing and / or dispensing O 2 and / or CO 2
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the method according to the invention using a steam boiler
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of the method according to the invention using a steam boiler
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of the method according to the invention using a fuel cell
  • FIG. 4 is a schematic representation of a fourth embodiment of the method according to the invention using a fuel cell.
  • FIG. 1 shows schematically a first embodiment of the method according to the invention.
  • the system represented in FIG. 1 comprises a unit 1 for storing a solid fuel comprising carbon, and more particularly combustible carbon.
  • the fuel carbon may be coal or plant biomass whose moisture has been reduced by prior treatment, such as dehumidification.
  • the unit 1 is a unit for storing a feedstock of combustible raw material with a high carbon content B 1. introduced by a regulating system B into the reactor R where it is burned under O 2 .
  • This combustible raw material is intended, on the one hand to form the thermal base and on the other hand to carry and maintain this thermal base at the process temperature. The complete combustion of this raw material under O 2 produces CO 2 .
  • the reactor R also receives an initial gas stream F1 comprising high-temperature and low-pressure water vapor from an exchanger E2 and a mixing chamber Cm.
  • the water vapor from E2 undergoes the redox reaction as it passes through the thermal base.
  • This disproportionation produces the first gas stream FgI at high temperature and low pressure.
  • This first gas flow FgI is composed essentially of H 2 and CO 2 . H 2 and CO 2 are then separated in an industrial gas separator system SG.
  • the CO 2 obtained by separation is a neutral gas flow Fn, too hot to be operated as it is, it is cooled in an air cooler E3. An Fnr part of the cooled CO 2 is rejected and the rest Fns compressed in Cl compressor means and stored in storage means Sl. Part Fnsl stored CO 2 can be used as a cooling stream of the system according to the invention or for the safety of the system.
  • the hydrogen obtained is burned under O 2 in a gas boiler Ch.
  • the combustion of hydrogen under O 2 makes it possible on the one hand to generate a GcI combustion gas stream at a very high temperature, essentially comprising steam. water H 2 O low pressure, and secondly to generate a second gas stream Fg2 essentially comprising water vapor obtained by heating a thermodynamic fluid Fth essentially comprising water.
  • this second gas flow Fg2 essentially comprises high temperature and very high pressure water vapor.
  • the GcI combustion gas which has yielded most of its thermal potential to the second gas stream Fg2, still has a significant thermal load, when it leaves the boiler Ch: about 10 to 20% of the calorific value of the combustion of H 2 under O 2 in the system.
  • This combustion gas comprising steam is recycled to the reactor R after passing through an exchanger / mixing chamber E2 and Cm where it can be mixed with a liquid Fl-I of H 2 O which serves as a 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 second gas stream Fg2 comprising superheated and very high pressure steam obtained at the outlet of the gas boiler Ch drives a TAV steam turbine which generates electricity by an alternator A coupled to the system.
  • the turbine makes it possible to exploit most of the mechanical energy of the steam.
  • a third gas stream Fg3 is obtained comprising steam at a very low pressure and at a low temperature. This steam is compressed by a steam compressor C2, at a pressure sufficient for its physical change in the liquid state in the preparer / exchanger VAP.
  • the permanent recycling of the water vapor and the combustion of the thermal base can generate excess water vapor, which will then be extracted from the recycling circuit.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the method according to the invention.
  • the system according to the invention is used for the recycling of a treatment gas flow Ft of a biomass load B1 and for the energy recovery of the gaseous flow used for the treatment of the biomass feedstock.
  • the biomass B1 is dehydrated or roasted in the treatment unit 1. After treatment, the gaseous mixture extracted comprises:
  • This gaseous assembly then becomes the initial gas stream Fl which will be recycled in the system and method according to the invention.
  • Part B3 of the treated biomass B1, for example roasting or drying, is stored.
  • Another part B2 of the biomass B1 is introduced by a regulator system B into the reactor R where it is thermally reacted under O 2 to form the thermal base, part of which is intended to carry and maintain this thermal base at the process temperature.
  • the complete combustion of the biomass under O 2 produces CO 2 which can be used as heat transfer fluid Ft for the treatment of the biomass of origin B1.
  • the initial gas stream F1 comprising heat-transfer CO 2 used in the treatment of the biomass B1 and the water vapor extracted from the original biomass, is recycled to the reactor R after heat exchange in an E2 heat exchanger and a transit in a mixing chamber Cm, explained below.
  • the initial gas flow is thus at a high temperature when it is introduced into the reactor R.
  • the CO 2 is neutral for the deoxidation reaction of the water vapor, but the steam undergoes the reaction. redox of the thermal base.
  • This disproportionation produces a first gas flow FgI essentially comprising H 2 and CO 2 .
  • H 2 is separated from the other components of the first gas stream, and in particular CO 2 , in an industrial gas separator system SG, known to those skilled in the art.
  • CO 2 can be reused as heat transfer gas Ft which will transmit its thermal capacity to the biomass to be dehydrated or roasted.
  • the CO 2 has yielded part of its heat load in the heat exchanger El.
  • the GcI combustion gas which has yielded most of its thermal potential to the second gas stream Fg2, still has a significant thermal load: 10 to 20% of the heating value of the combustion of H 2 under O 2 .
  • the water vapor contained in the combustion gas is recycled to the reactor R after passing through the mixing chamber Cm where it will be mixed with the initial gas flow F1, that is to say, with the gaseous treatment unit of the biomass of origin: CO 2 + H 2 O resulting from the dehydration of the biomass B1.
  • the gaseous mixture thus formed becomes the new initial flow Fl which will be recycled in the reactor R, it is at a high temperature and participates in the useful heat exchange within the thermal base. All the thermal energy contained in this gas mixture is recycled.
  • the water vapor is again deoxidized at the passage of the thermal base and in a continuous cycle.
  • the second gas stream Fg2 comprising superheated steam at very high pressure, obtained at the outlet of the gas boiler Ch, drives a steam turbine TAV which generates electricity by alternator A coupled to the system.
  • the turbine makes it possible to transform most of the "temperature / pressure" pair of the steam into mechanical energy that will drive the alternator A.
  • a third gas stream Fg3 is obtained, essentially comprising steam. water at a very low pressure and at a low temperature.
  • This water vapor is then compressed by a steam compressor C2, at a pressure sufficient for its physical change in the liquid state in the VAP preparer: the water obtained in this preparer (at the pressure relative to the enthalpy of the residual steam) is superheated in the exchanger El before being reintroduced into the secondary circuit of the gas boiler Ch. A large part of the residual energy at the outlet of the steam turbine is thus recycled. Electricity used for compression generates thermal energy by the "Joule" effect that is exploited by the system, thus neutralizing part of the impact of the compressor's electricity consumption on the operating balance.
  • FIG. 3 is a representation of a third embodiment of the method according to the invention involving a fuel cell PAC.
  • unit 1 is a unit for storing a charge of combustible raw material B1 with a high carbon content.
  • This raw material is a fuel for generating, 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 homogenization conditions for the H 2 O disproportionation reaction.
  • the choice of fuel will be based on a combustible raw material that will preferably be renewable, either dehydrated or roasted vegetable biomass, or peat or any other fuel with a high carbon content.
  • the charge of high carbon feed material B2 is introduced, by a regulating system B, into the reactor R where it is burned under O 2 .
  • the combustible raw material thus forms the thermal base, part of which is intended to carry and maintain said thermal base at the process temperature.
  • the complete combustion of this raw material under O 2 produces CO 2 .
  • the reactor R also receives the initial gas stream F1 comprising water vapor at high temperature and low pressure.
  • the water vapor coming from the exchanger E undergoes the oxido-reducing reaction during the passage through the thermal base.
  • This disproportionation produces a first gas flow FgI composed essentially of H 2 and CO 2 of the thermal reaction and disproportionation.
  • the first gas flow FgI is at high temperature and low pressure.
  • H 2 and CO 2 are separated in a system "gas separator" industrial SG.
  • the separator SG can be an integral part of the fuel cell which it is then one of the constituent.
  • the CO 2 obtained Fn is cooled in an air cooler E3. A part
  • the stored CO 2 can be used for cooling 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 chemically reacted by the physical means of the system and an injection of industrial O 2 .
  • This reaction makes it possible, on the one hand, to generate electricity with a very high efficiency compared to the energy potential implemented initially and, on the other hand, to generate a gaseous reaction stream Fgr comprising essentially steam water at high temperature and low pressure.
  • the gaseous reaction stream Fgr is therefore essentially composed of high temperature and low pressure water vapor which has a high thermal load.
  • This gaseous reaction stream Fgr comprising water vapor is recycled to the reactor R after passing through an exchanger / mixing box E2 and Cm where it is mixed with a supply of H 2 O liquid that serves Fl-I.
  • 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 supply water.
  • the gaseous mixture thus formed at the outlet of the mixing chamber Cm, constitutes at least in part the initial gas flow Fl.
  • This gaseous mixture 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 gas mixture is recycled.
  • the steam is recycled to the reactor R, it is again deoxidized at the passage of the thermal base and this in a continuous cycle.
  • the permanent recycling of the water vapor and the combustion of the thermal base can generate excess water vapor, which will then be extracted from the recycling circuit.
  • Figure 4 is a representation of a fourth embodiment of the method according to the invention involving a fuel cell PAC.
  • the system according to the invention is used for the recycling of a treatment gas flow Ft of a biomass load B1 and the recycling (for the energetic and elemental recovery) of the gaseous flow used for the treatment biomass load.
  • the biomass B1 is dehydrated or roasted in the treatment unit 1.
  • the gaseous mixture extracted comprises: the treatment gas flow Ft, the heat-transfer CO 2 of the biomass charge B 1, and
  • This gaseous assembly then becomes the initial gas stream Fl which will be recycled in the system and method according to the invention.
  • Part B3 of the treated biomass B1 for example roasting or drying, is stored.
  • Another part of the B2 biomass is introduced, by a regulator system B, into the reactor R where it is thermally reacted under O 2 to form the thermal base.
  • Part of this biomass B2 is intended to carry and maintain this thermal base at the process temperature.
  • the complete combustion of the biomass under O 2 produces CO 2 which can be used as heat transfer fluid Ft for the treatment of the biomass of origin B1.
  • the initial gas stream F1 comprising heat-transfer CO 2 used in the treatment of the biomass B1 and the water vapor extracted from the original biomass, is recycled in the reactor R after a heat exchange in a heat exchanger E1 and a transit in a mixing chamber Cm, explained below.
  • the initial gas stream F1 is thus at a high temperature when it is introduced into the reactor R.
  • the CO 2 is neutral for the thermal reaction, but the water vapor undergoes the oxido-reducing reaction of the thermal base.
  • This disproportionation produces a first gas flow FgI essentially comprising H 2 and CO 2 .
  • H 2 is then separated from the other gaseous elements comprising the first stream, and in particular CO 2 , in an industrial gas separator system SG, known to those skilled in the art.
  • the CO 2 can be reused as heat transfer gas stream Ft which will transmit its thermal capacity to the biomass to be dehydrated or roasted.
  • the CO 2 At the outlet of the separator SG, the CO 2 has yielded part of its heat load in the heat exchanger El, but it may still be too hot to be used in the treatment gas Ft, a cold CO 2 injection Then it will regulate it.
  • the hydrogen obtained is introduced into the fuel cell PAC where it will be chemically reacted by the physical means of the system and an injection of industrial O 2 .
  • This reaction makes it possible, on the one hand, to generate electricity with a very high efficiency compared to the energy potential implemented at the base and, on the other hand, to generate a gaseous reaction flow Fgr essentially comprising steam of water at high temperature and low pressure. Electricity is directly exploitable by all conventional means.
  • the gaseous reaction stream Fgr essentially comprises high temperature and low pressure water vapor which has a high thermal load.
  • This gaseous stream comprising water vapor is introduced into a mixing chamber Cm where it is mixed with the gas stream extracted from the unit 1 for treating the biomass, and which has passed through the heat exchanger E1 where it has acquired a significant thermal capacity.
  • the gaseous mixture thus formed at the outlet of the mixing chamber Cm constitutes, at least in part, the initial gas flow Fl and 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 gas mixture is recycled.
  • the steam is recycled and deoxidized again at the passage of the thermal base and this in a continuous cycle.
  • An Fn part of the CO 2 obtained is cooled in an air cooler E3.
  • a part Fnr of CO 2 cooled is rejected and the rest Fns is compressed by means of compressors C1 and stored in storage means Sl.
  • Part Fnsl stored CO 2 can be used for cooling the system according to the invention or for the safety of the system. Excess water is also released to the ecosystem at the outlet of the PAC fuel cell.
  • the CO 2 which will be used as heat transfer fluid Ft, is at a very high temperature at the outlet of the separator. It exchanges the greater part of its thermal load, the gas stream extracted from the biomass treatment unit, in the heat exchanger El. This heat transfer flow will then be regulated, at the temperature useful to its operation, by a contribution of CO 2 cold Fnsl.
  • the invention is not limited to the examples just described and can be used for energy generation from any gas stream comprising water vapor.

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Abstract

Procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux, dit initial, comprenant de la vapeur d'eau (H<SUB>2</SUB>O), ledit procédé comprenant une désoxydation d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H<SUB>2</SUB>O) 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, ladite désoxydation permettant d'obtenir un premier flux gazeux comprenant de l'hydrogène (H<SUB>2</SUB>) obtenu par réaction de ladite vapeur d'eau (H<SUB>2</SUB>O) avec lesdits éléments de carbone. Le flux initial peut être un flux gazeux ayant servi au traitement d'une charge de bois (Bl). L'hydrogène (H<SUB>2</SUB>) obtenu, constitue une source d'énergie et, peut ensuite être utilisé pour produire de l'énergie 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.

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 œuvre 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 plus particulièrement à la génération d'urîe 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 œuvre 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 œuvre 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 rendement 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. 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 H2O 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 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 œuvre 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 + H2O -» CO + H2: réaction endothermique (- 131 kJ) CO + H2O -> CO2 + H2: réaction exothermique (+ 40 kJ) Le bilan des réactions de désoxydation précédentes est donc :
C + 2 H2O -» CO2 + 2 H2: réaction endothermique (- 91 kJ) Cette réaction nécessite donc un appoint thermique de 91 kJ 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 œuvre 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 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 O2. 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 œuvre à l'origine. 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 œuvre 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 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 O2 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 CO2 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 CO2. De plus, il est plus avantageux que le flux gazeux initial comprenne du CO2 compte tenu du fait que la séparation de l'hydrogène du CO2 est une opération connue de l'homme du métier et facilement réalisable. Après la séparation de l'hydrogène et du CO2, au moins une partie du CO2 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 CO2, au moins une partie du CO2 peut être condensée et récupérée, par exemple en phase liquide. La base thermique mise en œuvre dans le procédé selon l'invention peut être en ignition à une température qui est réglée par injection d'oxygène au cœur de ladite base. Cette injection d'oxygène peut servir à contrôler la température au cœur 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 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 œuvre 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 essentiellement de CO2 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 O2 et/ou de CO2
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. 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 Bl. 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 O2. 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 O2 produit du CO2.
Le réacteur R reçoit aussi un flux gazeux initial Fl 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 FgI à haute température et basse pression. Ce premier flux gazeux FgI est composé essentiellement de H2 et CO2. H2 et CO2 sont ensuite séparés dans un système séparateur gazeux industriel S-G.
Le CO2 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 CO2 refroidi est rejetée et le reste Fns compressé dans des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage Sl. Une partie Fnsl du CO2 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 O2 dans une chaudière à gaz Ch. La combustion de l'hydrogène sous O2 permet, d'une part de générer un flux gazeux de combustion GcI à très haute température comprenant essentiellement de la vapeur d'eau H2O 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 GcI, 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 de H2 sous O2 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 Fl-I de H2O liquide qui sert d'appoint. L'H2O 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 Fl, 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 CO2 génère des excédents :
- de CO2 Fn qui est refroidi dans un aéroréfrigérant E3 (Une partie Fnr de ce CO2 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par des moyens compresseurs Cl et stockée dans des moyens de stockage Sl)
- de H2O, 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 Bl et pour la valorisation énergétique du flux gazeux ayant servi au traitement de la charge de biomasse.
La biomasse Bl est déshydratée ou torréfiée dans l'unité de traitement 1. Après traitement, l'ensemble gazeux extrait comprend :
- le flux gazeux de traitement Ft, CO2 caloporteur de traitement de la charge de biomasse, et
- de la vapeur provenant de la biomasse initiale Bl.
Cet ensemble gazeux devient alors le flux gazeux initial Fl qui sera recyclé dans le système et procédé selon l'invention.
Une partie B3 de la biomasse Bl traitée, par exemple en torréfaction ou en séchage, est stockée. Une autre partie B2 de la biomasse Bl est introduite, par un système régulateur B, dans le réacteur R où elle est mise en réaction thermique sous O2 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 O2 produit du CO2 qui peut être utilisé comme flux caloporteur Ft pour le traitement de la biomasse d'origine Bl.
Le flux gazeux initial Fl, comprenant du CO2 caloporteur utilisé dans le traitement de la biomasse Bl 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 CO2 est neutre pour la réaction de désoxydation de la vapeur d'eau, mais la vapeur d'eau subit la réaction oxydo-réductrice de la base thermique. Cette dismutation produit un premier flux gazeux FgI comprenant essentiellement du H2 et du CO2. H2 est séparé des autres composants du premier flux gazeux, et notamment du CO2, dans un système séparateur gazeux industriel S-G, connu par l'homme du métier. Le CO2 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 CO2 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 CO2 froid Fnsl le régulera alors. L'hydrogène est brûlé sous O2 dans une chaudière à gaz Ch à production de vapeur d'eau surchauffée à très haut rendement. La combustion de l'hydrogène sous O2 permet, d'une part de générer un gaz de combustion GcI comprenant essentiellement de la vapeur d'eau H2O 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 GcI 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 O2. 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 Fl, c'est-à-dire, à l'ensemble gazeux de traitement de la biomasse d'origine : CO2 + H2O issus de la déshydratation de la biomasse Bl. Le mélange gazeux ainsi formé devient le nouveau flux initial Fl 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 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 CO2 génère des excédents. L'eau en excédent est rejetée dans l'écosystème. Le CO2 en excédent Fn est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr de ce CO2 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par des moyens compresseurs Cl et stockée dans des moyens de stockage Sl.
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 Bl 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 H2O.
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. 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 O2. 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 O2 produit du CO2.
Le réacteur R reçoit aussi le flux gazeux initial Fl 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 FgI composé essentiellement de H2 et du CO2 de la réaction thermique et de la dismutation. Le premier flux gazeux FgI est à haute température et basse pression. H2 et CO2 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 CO2 obtenu Fn est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie
Fnr du CO2 refroidi est rejetée et le reste Fns est compressé par des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage Sl. Une partie
Fnsl du CO2 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'O2 industriel. Cette réaction permet, d'une part de générer de l'électricité avec un très haut rendement par rapport au potentiel énergétique mis en œuvre 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 H2O liquide qui sert d'appoint Fl-I. L'H2O liquide est évaporée dans réchangeur/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 Fl. 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 CO2 Fn (produit de la dismutation de H2O par la base thermique, composée de carbone) qui est refroidi dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr de ce CO2 est rejetée à l'écosystème, le reste Fns est compressée par des moyens compresseurs Cl et stockée dans des moyens de stockage Sl
- de H2O, 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 Bl et le recyclage (pour la valorisation énergétique et élémentaire) du flux gazeux ayant servi au traitement de la charge de biomasse.
La biomasse Bl est déshydratée ou torréfiée dans l'unité de traitement 1. Après traitement, l'ensemble gazeux extrait comprend : - le flux gazeux de traitement Ft, du CO2 caloporteur de traitement de la charge de biomasse Bl, et
- de la vapeur d'eau provenant de la biomasse initiale Bl.
Cet ensemble gazeux devient alors le flux gazeux initial Fl qui sera recyclé dans le système et procédé selon l'invention. Une partie B3 de la biomasse traitée Bl, 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 O2 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 O2 produit du CO2 qui peut être utilisé comme flux caloporteur Ft pour le traitement de la biomasse d'origine Bl.
Le flux gazeux initial Fl, comprenant du CO2 caloporteur utilisé dans le traitement de la biomasse Bl 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 El et un transit dans un caisson de mélange Cm, expliqué ci-après.
Le flux gazeux initial Fl est ainsi à haute température lorsqu'il est introduit dans le réacteur R. Le CO2 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 FgI comprenant essentiellement du H2 et du CO2. H2 est ensuite séparé des autres éléments gazeux composant le premier flux, et notamment du CO2, dans un système séparateur gazeux industriel S-G, connu par l'homme du métier.
Le CO2 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 CO2 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 CO2 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'O2 industriel. Cette réaction permet, d'une part de générer de l'électricité avec un très haut rendement par rapport au potentiel énergétique mis en œuvre 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. 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 Fl 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 CO2 obtenu est refroidie dans un aéroréfrigérant E3. Une partie Fnr du CO2 refroidi est rejetée et le reste Fns est compressé par des moyens compresseurs Cl et stocké dans des moyens de stockage Sl. Une partie Fnsl du CO2 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 CO2, 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 CO2 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.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux (Fl), dit initial, comprenant de la vapeur d'eau (H2O), ledit procédé comprenant une désoxydation d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H2O), ladite désoxydation étant réalisée :
- d'une part, par réduction d'au moins une partie des molécules de vapeur d'eau avec des éléments de carbone à haute température par passage dudit flux gazeux initial (Fl) au travers d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement des éléments de carbone à haute température, ladite réduction fournissant des molécules d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO), et
- d'autre part, par réduction des molécules de vapeur d'eau (H2O) avec au moins une partie desdites molécules de monoxyde de carbone (CO), ladite réduction fournissant des molécules d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2) ; ladite désoxydation fournissant un premier flux gazeux (FgI) comprenant de l'hydrogène (H2) présentant une valeur énergétique.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape séparant l'hydrogène (H2) des autres éléments contenus dans le premier flux gazeux (FgI).
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un stockage de l'hydrogène (H2).
4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une génération d'électricité dans une pile à 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) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H2O) contenu dans le gaz de réaction (Fgr) est recyclée pour être de nouveau désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau (H2O) au travers de la base thermique.
6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une combustion d'au moins une partie de l'hydrogène (H2) dans une chaudière à gaz (Ch), ladite combustion produisant de l'énergie thermique et un gaz de combustion (GcI) comprenant de la vapeur (H2O) d'eau à haute température et basse pression.
7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'énergie thermique produite par la combustion de l'hydrogène (H2) est utilisée pour conditionner un fluide thermodynamique (Fth) en un deuxième flux gazeux (Fg2) comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température et haute pression.
8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H2O) contenu dans le deuxième flux gazeux (Fg2) est utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur (TAV), ladite production comprenant en outre une génération d'un troisième flux gazeux (Fg3) comprenant de la vapeur d'eau (H2O) basse pression et basse température.
9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une compression d'au moins une partie de la vapeur (H2O) d'eau basse température et basse pression contenu dans le troisième flux gazeux (Fg3) amenant la dite vapeur d'eau (H2O) à une pression de condensation.
10) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une récupération d'au moins une partie de l'énergie de condensation de la vapeur d'eau obtenue après compression. 11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H2O) est utilisée pour produire de l'électricité dans une turbine à vapeur (TAV).
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H2O) contenu dans le gaz de combustion (GcI) est recyclée pour être de nouveau désoxydée par passage de ladite vapeur d'eau au travers de la base thermique.
13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la combustion de l'hydrogène (H2) est réalisée sous O2.
14) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que la combustion de l'hydrogène (H2) est réalisée sous air.
15) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une génération de la base thermique par combustion de biomasse (B2) végétale ou minérale.
16) Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la combustion de biomasse (B2) est réalisée sous O2 par injection d'O2 au cœur de la base thermique.
17) Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'injection d'O2 est réalisée de manière à réaliser une combustion incomplète de la biomasse (B2), ladite combustion incomplète produisant des molécules de monoxyde de carbone (CO) participant au moins en partie à la désoxydation des molécules de H2O.
18) Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que la biomasse (B2) comprend de la biomasse végétale dont l'humidité a été diminuée au préalable par traitement de la biomasse avec un flux gazeux de traitement (Ft) comprenant essentiellement du CO2. 19) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux initial (Fl) comprend au moins une partie d'un flux gazeux de traitement (Ft) d'une charge de biomasse (Bl).
20) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux gazeux initial (Fl) comprend du CO2.
21) Système de génération d'énergie à partir d'un flux gazeux (Fl), dit initial, comprenant de la vapeur d'eau, ledit système comprenant : - des moyens (R) 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 (Fl) au travers de ladite base thermique, ledit passage permettant une désoxydation d'au moins une partie de ladite vapeur d'eau (H2O), ladite désoxydation étant réalisée :
- d'une part, par réduction d'au moins une partie des molécules de vapeur d'eau avec des éléments de carbone à haute température par passage dudit flux gazeux initial (Fl) au travers d'une couche de matière à haute température, dite base thermique, comprenant essentiellement des éléments de carbone à haute température, ladite réduction fournissant des molécules d'hydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO), et
- d'autre part, par réduction des molécules de vapeur d'eau (H2O) avec des molécules de monoxyde de carbone (CO), ladite réduction fournissant des molécules d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2) ; ladite désoxydation fournissant un premier flux gazeux (FgI) comprenant de l'hydrogène (H2) présentant une valeur énergétique.
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