EP4688214A1 - Ensemble industriel avec turbine à gaz avec capture de gaz polluant et récupération de chaleur - Google Patents

Ensemble industriel avec turbine à gaz avec capture de gaz polluant et récupération de chaleur

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EP4688214A1
EP4688214A1 EP24722672.3A EP24722672A EP4688214A1 EP 4688214 A1 EP4688214 A1 EP 4688214A1 EP 24722672 A EP24722672 A EP 24722672A EP 4688214 A1 EP4688214 A1 EP 4688214A1
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EP
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gas
heat
gas turbine
adsorbent
pollutant
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Application number
EP24722672.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Franck Marc Florent SELLES
Caroline Marie Frantz
Bruna Manuela RAMOS
Marie-Laure Madeleine Yvonne DE CRESCENZO
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Safran Aircraft Engines SAS
Safran Landing Systems SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
Safran Landing Systems SAS
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Filing date
Publication date
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    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0462—Temperature swing adsorption
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    • B01D2259/40088—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating
    • B01D2259/4009—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating using hot gas
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    • B01D2259/40088—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating
    • B01D2259/40092—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating using hot liquid
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/65—Employing advanced heat integration, e.g. Pinch technology
    • B01D2259/655—Employing advanced heat integration, e.g. Pinch technology using heat storage materials

Definitions

  • the present invention relates to an industrial assembly with a gas turbine comprising a system for depolluting the gas flow displaced by this gas turbine.
  • the invention relates to a turbomachine test bench.
  • test bench Such a test bench is described in document WO 2021/009226.
  • the test bench comprises, from upstream to downstream (in the normal direction of air circulation) an intake chimney 181, a test room 182, an exhaust duct and an exhaust chimney 183.
  • the air enters the test room 182 through the vertical intake chimney 181 which is open to the outside at its entrance.
  • the test room 182 comprises a turbomachine 190 which is mounted on a thrust balance 191. Downstream of the turbomachine 190 tested, there is an exhaust duct which comprises a tube 110 which is intended to receive at its inlet 111 (upstream end) the exhaust gases which escape from the turbomachine 190 during its test.
  • This tube 110 is provided at its outlet 112 (downstream end) with a burster basket 113 which is a cylinder closed at its downstream by a concave cover and pierced on its side wall with holes. The exhaust gases exit the burster basket through these holes and rise in the exhaust chimney 183 then exit into the atmosphere.
  • a burster basket 113 which is a cylinder closed at its downstream by a concave cover and pierced on its side wall with holes. The exhaust gases exit the burster basket through these holes and rise in the exhaust chimney 183 then exit into the atmosphere.
  • the engine flow the sum of the primary flow FP and the flow secondary FS, entering the tube 110 of the exhaust duct, causes by jet pump effect a so-called “induced” flow which circulates in the test room 182 without passing through the turbomachine 190.
  • Figure 6 is a longitudinal view of the turbomachine 190 and the upstream part of the tube 110 of Figure 5.
  • the thrust balance 191 is not shown. All these flows circulate in the tube 110 of the exhaust duct.
  • an industrial assembly with a gas turbine comprising a building which has an air inlet chimney at a first end of the building and a gas exhaust chimney at a second end of the building, a room containing the gas turbine, and a pollutant gas treatment device capable of treating the flow of gas displaced by the gas turbine in operation and which circulates to the exhaust chimney.
  • the concentration of pollutant gas in the flow circulating in the exhaust stack 183 is low, which makes such a filtration device 170 ineffective.
  • the filter of the filtration device 170 is saturated with pollutant gas (pollutant gas adsorption phase in the filter) at the end of the operation of the gas turbine, it is necessary to regenerate this filter to recover the pollutant gas and to allow the subsequent use of this filter during the following operation of a gas turbine.
  • This regeneration requires heating the filter to a temperature higher than the maximum temperature during the adsorption phase (capture of the pollutant gas by the filter). Indeed, in normal operation of the gas turbine, a succession of phases is carried out of operation, separated by periods of shutdown (absence of operation).
  • the present invention aims to remedy these drawbacks.
  • the invention aims to propose an industrial assembly with a gas turbine which makes it possible to depollute the flow of gas displaced by the gas turbine, in particular to capture the polluting gas which is present, in the most efficient and economical way possible, within the framework of the usual operation of this industrial assembly with successive operating phases of the gas turbine separated by shutdown phases of the gas turbine.
  • the pollutant gas treatment system comprises at least one solid adsorbent
  • the industrial assembly further comprises a heat recovery unit capable of recovering the heat emitted by the gas turbine during its operating phase and of restoring this heat, a fluid supply device capable of using the heat recovered by the heat recovery unit to heat a fluid, and a pollutant gas storage tank, the pollutant gas treatment device being capable on the one hand of adsorbing in the at least one adsorbent the pollutant gas present in this gas flow, and being capable on the other hand of desorbing the at least one adsorbent by heating with the fluid to a heating temperature at least equal to the desorption temperature of the at least one adsorbent, and of sending the pollutant gas recovered during the desorption into the tank, this desorption being intended to take place after the adsorption in the adsorbent.
  • the test bench is therefore thermally optimized.
  • the removal of heat from the exhaust duct by the heat recuperator during a test results in a drop in the temperature of the flow circulating in the exhaust duct.
  • the flow that is adsorbed in the solid adsorbent is therefore at a lower temperature (than in the absence of removal of this heat), which makes more efficient adsorption.
  • this solid adsorbent is heated by the steam produced by the steam production device using the heat produced by the turbomachine and recovered by the heat recovery unit.
  • the solid adsorbent can thus be desorbed during this period (with restitution of the carbon dioxide it contains) and regenerated between two adsorption phases.
  • the adsorbent used during a first operating phase of the gas turbine can thus be used during a next operating phase of the gas turbine.
  • the operating time of the turbomachine and the adsorption process are therefore optimized.
  • the pollutant gas treatment device is capable of adsorbing the pollutant gas in the entire adsorbent and is capable of desorbing the entire adsorbent by heating.
  • the pollutant gas treatment device comprises a single solid adsorbent and the treatment device is capable of adsorbing the pollutant gas in the entire adsorbent and is capable of desorbing the entire adsorbent by heating.
  • this single solid adsorbent adsorbs carbon dioxide during an operating phase of a gas turbine, and possibly other polluting particles.
  • the use of adsorbents is therefore optimized because it is not necessary to use a second adsorbent (distinct from this first adsorbent above) during a next operating phase of the gas turbine (while the first adsorbent would be in the desorption phase), and consequently the architecture of the polluting gas treatment device is simplified and its size is minimized.
  • the building further comprises an exhaust duct which is located downstream of the gas turbine and which is capable of receiving the flow of gas displaced by the gas turbine, and such that the heat recovery unit recovers the heat emitted by the gas turbine directly on the exhaust duct.
  • the exhaust duct comprises an outer tube extending along a longitudinal axis with an inlet adapted to receive the gas flow displaced by the gas turbine and an outlet which opens into the chimney. exhaust, and such that the heat recuperator recovers heat on the external tube.
  • the building comprises a second exhaust stack and the exhaust duct further comprises at least one internal tube extending along a longitudinal axis and which is located inside the external tube with an inlet and an outlet which opens into the second exhaust stack such that during the operating phase of the gas turbine an internal flow of gas circulates in the at least one internal tube and an external flow of gas, separate from the internal flow, circulates in the external tube outside the at least one internal tube, and such that the heat recuperator recovers the heat directly on the at least one internal tube.
  • the heat recovery unit is capable of storing the heat emitted by the gas turbine.
  • a heat exchanger comprises a material which is capable of storing heat.
  • the fluid supplied by the fluid supply device is water vapor or a gas or water.
  • the test bench further comprises an additional adsorber which is located on the path of the air flow which supplies the gas turbine, the additional adsorber being capable of being desorbed using the fluid supply device.
  • the invention also relates to a method for treating polluting gas present in the gas flow moved by a gas turbine.
  • the method comprises the following steps:
  • An industrial assembly with a gas turbine comprising a building having an air inlet chimney at a first end of the building and a gas exhaust chimney at a second end of the building, a room containing the gas turbine, the industrial assembly comprising a pollutant gas treatment device which comprises at least one solid adsorbent;
  • step (c) The heat emitted by the gas turbine during the operating phase of step (b) is recovered using a heat recovery unit;
  • step (d) The operation of the gas turbine from step (b) is stopped;
  • step (e) The heat recovered in step (c) is returned to a fluid supply device capable of using the heat recovered by the heat recovery unit to heat a fluid;
  • step (f) The adsorbent is desorbed by heating with the fluid supplied in step (e) at a heating temperature at least equal to the desorption temperature of the adsorbent in order to recover the pollutant gas adsorbed in step (b);
  • step (g) The pollutant gas recovered by desorption in step (f) is sent to a pollutant gas storage tank.
  • the heat recovered in step (c) is stored in a material which is located in the heat recovery unit before returning it in step (e).
  • the adsorbent is heated to a temperature which is more constant, which makes the desorption more efficient.
  • Figure 1 is a perspective view of a turbomachine test bench according to the invention.
  • FIG. 2 Figure 2 is a perspective view of a turbomachine test bench according to another embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a side view of the upstream portion of the turbomachine test bench of Figure 2.
  • Figure 4 is, in (A) a schematic illustration of the mechanism of adsorption by the adsorbent; and in (B) a schematic illustration of the mechanism of desorption of the adsorbent; in the carbon dioxide treatment device of a turbomachine test bench according to the invention.
  • FIG. 5 Figure 5, already described, is a perspective view of a turbomachine test bench according to the prior art.
  • Figure 6 already described, is a side view of the upstream part of the turbomachine test bench of Figure 5.
  • upstream and downstream are defined relative to the normal direction of circulation of gas and air in the industrial assembly, in the gas turbine and in the exhaust duct during normal operation of this industrial assembly.
  • the invention is described below in the case where the gas turbine 90 is a turbomachine and where the industrial assembly 80 is a test bench for this turbomachine, but applies to any industrial assembly comprising a gas turbine where the displaced gas must be depolluted.
  • Such an industrial assembly is for example a factory, a gas thermal power plant, an incinerator.
  • the invention is described below in the case where the polluting gas is carbon dioxide CO2, but applies to any polluting gas (for example Sox, Nox) and polluting particles.
  • FIG. 1 shows a turbomachine test bench 90 according to the invention.
  • This test bench 80 comprises a building 88 which comprises, from upstream to downstream (in the normal direction of air circulation during operation of the turbomachine 90) an intake chimney 81, a room 82 and an exhaust chimney (83, 84) which comprises at least one (first) exhaust chimney 83.
  • the air enters the room 82 via the vertical intake chimney 81 which is open to the outside at its inlet.
  • the room 82 comprises a turbomachine 90 which is mounted on a thrust balance 91 and which is intended to be tested.
  • three air flows can be distinguished which circulate in the room 82:
  • This secondary flow FS initially circulates around the primary flow FP.
  • this treatment device 70 is located in the building 88.
  • This treatment device 70 captures the carbon dioxide so that the gas flow leaving this treatment device 70 is as low in carbon dioxide as possible, i.e. so that this gas flow is depolluted.
  • this carbon dioxide treatment device 70 is located in the exhaust stack (83, 84). This capture of carbon dioxide is carried out during the test of the turbomachine 90 (in the general case, during operation of the gas turbine 90, i.e. when the gas turbine 90 is running).
  • the carbon dioxide treatment device 70 comprises a solid adsorbent 71 which is intended to capture the carbon dioxide molecules.
  • This carbon dioxide treatment device 70 is illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 4 (A) illustrates the adsorption phenomenon, in which the carbon dioxide molecules (shown schematically by black particles) which are present in the downstream flow are adsorbed in the adsorbent 71 (shown schematically by a group of porous cylinders).
  • the gas which emerges from the adsorbent 71 downstream essentially comprises molecules other than carbon dioxide.
  • the solid adsorbent 71 is sized so as to recover the pollutant gas emitted during a given time with a desired capture efficiency (in a non-limiting manner, this capture efficiency is for example greater than 25%, greater than 50%, greater than 75%, preferably greater than 90%).
  • This given time corresponds for example to the test time of a gas turbine.
  • the treatment device 70 is capable of adsorbing the pollutant gas in the entire adsorbent 71.
  • adsorbing in the entire adsorbent 71 means that more than 20% of the surface of the adsorbent 71 is saturated with pollutant gas.
  • more than 80% of the surface of the adsorbent 71 is saturated with pollutant gas.
  • 100% or almost 100% of the surface of the adsorbent 71 is saturated with pollutant gas.
  • desorbing the entire adsorbent 71 means that more than 20% of the adsorbed pollutant gas is desorbed.
  • more than 80% of the adsorbed pollutant gas is desorbed.
  • 100% or almost 100% of the adsorbed pollutant gas is desorbed.
  • the carbon dioxide treatment device 70 comprises only a single solid adsorbent 71.
  • the architecture and operation of the test bench 80 are explained below, which makes it possible to understand why the carbon dioxide treatment device 70 may comprise only a single solid adsorbent 71.
  • the test bench 80 comprises a heat recovery unit 40 which is capable of recovering the heat emitted by the turbomachine 90 during an operating phase of this turbomachine 90, and of restoring this heat after this operating phase.
  • the restoration can optionally begin during the operating phase.
  • the temperature of the displaced gas flow is several hundred degrees Celsius.
  • This heat is restored to be used to desorb all of the solid adsorbent 71, after the adsorption of the polluting gas (for example carbon dioxide) by the adsorbent 71.
  • desorption is a process which requires a heat input. This desorption is carried out at a temperature of heating Te which is at least equal to the desorption temperature Td of the adsorbent 71.
  • the desorption temperature Td is higher than the ambient temperature, and advantageously higher than the maximum temperature of the gas at the inlet of the adsorbent 71 during the operating phase of the turbomachine.
  • the desorption temperature Td is the temperature at which the adsorbent releases (restores) the pollutant gas that it has adsorbed during the adsorption phase.
  • the entire solid adsorbent 71 can be desorbed with recovery of the carbon dioxide, i.e. regenerated after an operating phase (here a test) of the turbomachine 90, during a period when there is no test. This solid adsorbent 71 can then be used again during a future test of a turbomachine.
  • Figure 4 (B) illustrates this desorption phenomenon.
  • the carbon dioxide treatment device 70 comprises only a single solid adsorbent 71
  • the use of the absorbents is thus optimized because it is not necessary to use a second adsorbent during this next test (while the first adsorbent would be desorbed). Consequently, the architecture of the carbon dioxide treatment device 70 is simplified. In particular, the volume and weight of this device 70 are reduced.
  • the recovery of the heat from the displaced gas flow is carried out downstream of the turbomachine 90 and upstream of the treatment device 70.
  • the temperature of the displaced gas flow which is adsorbed in the solid adsorbent 71 is therefore reduced.
  • the solid absorption process is more effective when it is carried out at a lower temperature (between 20°C and 50°C). The adsorption of carbon dioxide is therefore maximized.
  • the heat recovery unit 40 comprises at least one heat exchanger (and alternatively a means for storing heat, see the description below).
  • This heat exchange can be carried out by any means, for example by plates, or by tubes in which a fluid circulates, these plates or these tubes being immersed in another fluid.
  • These fluids can be a liquid and a gas, two liquids, or two gases.
  • the test bench 80 comprises a fluid supply device 50 which is capable of using the heat recovered by the heat recovery unit 40 to heat and supply a fluid 51 at a temperature at least equal to a heating temperature Te which is higher than the ambient temperature. This ambient temperature is approximately equal to 20°C.
  • This heating is carried out by passing the fluid through the heat recovery unit 40 and by heat exchange with this fluid. This heat exchange is carried out in a known manner, for example by conduction.
  • the fluid 51 after passing through the heat recovery unit 40, is water vapor at a temperature higher than 100°C. Alternatively, the fluid 51 is water. Alternatively, the fluid 51 is a gas, for example nitrogen.
  • the fluid communication between the heat recovery unit 40 and the fluid supply device 50 is carried out for example by one or more pipes.
  • the fluid 51 is then distributed to the treatment device 70.
  • the fluid communication between the fluid supply device 50 and the treatment device 70 is carried out for example by one or more pipes.
  • the temperature of the fluid 51 produced by the fluid supply device 50 is at a temperature sufficiently higher than the heating temperature Te to reach the treatment device 70 at the heating temperature Te.
  • the heating temperature Te is sufficient to allow the desorption of the solid adsorbent 71.
  • this heating temperature Te is greater than 100°C.
  • the test bench 80 further comprises a carbon dioxide storage tank 60.
  • the carbon dioxide recovered (extracted) from the solid adsorbent 71 by its desorption is sent to the tank 60 to be stored there. This desorption is therefore carried out after the test of the turbomachine 90 and before a following test of a turbomachine 90.
  • the fluid communication between the treatment device 70 and the tank 60 is carried out for example by one or more pipes.
  • an exhaust duct 30 downstream of the turbomachine 90 tested, there is an exhaust duct 30 which is intended to receive the flow of gases moved by the turbomachine 90 during its test.
  • This exhaust duct 30 extends from the room 82 to the exhaust stack 83 such that the gas flow (or "gas flow") which enters the exhaust duct 30 leaves it at the exhaust stack 83.
  • the heat recuperator 40 recovers the heat emitted by the turbomachine 90 directly on the exhaust duct 30. This recovery is carried out for example by a pipe which transports a heat transfer fluid from the exhaust duct 30 to the heat recuperator 40.
  • the exhaust duct 30 comprises a tube 10 which extends along a longitudinal axis X1 and which is intended to receive at its inlet 11 (upstream end) the flow of gases which escape from the turbomachine 90 during its test.
  • the longitudinal axis X1 is substantially the longitudinal axis along which the turbomachine 90 extends.
  • the tube 10 is provided at its outlet 12 (downstream end) with a burster basket 13 which is a cylinder closed at its downstream by a concave cover and pierced on its side wall with holes.
  • the gas flow F10 which circulates in the tube 10 leaves the burster basket 13 through these holes and rises in the exhaust chimney 83 then exits into the atmosphere.
  • the carbon dioxide treatment device 70 is located in the exhaust stack 83.
  • This tube 10 is called the outer tube 10 as opposed to the inner tube 20 which is described below.
  • the primary FP, secondary FS and induced Fl flows enter and then circulate in the outer tube 10.
  • the heat recuperator 40 recovers the heat emitted by the turbomachine 90 on the external tube 10.
  • the exhaust duct 30 further comprises an internal tube 20 which extends along a longitudinal axis X2 with an inlet 21 and an outlet 22 and which is located inside the external tube 10 and in the same direction.
  • FIG. 3 is a longitudinal view of the turbomachine 90 and of the upstream part of the external tube 10 and the internal tube 20 of FIG. 2. For the sake of clarity, the thrust balance 91 is not shown.
  • the outer tube 10 and the inner tube 20 are coaxial, as illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the longitudinal axes X1 and X2 are therefore coincident.
  • the outer tube 10 and the inner tube 20 are concentric.
  • the internal tube 20 preferentially accommodates the gas flow which is the most central, that is to say the closest to the longitudinal axis X1.
  • the internal flow F20 is made up of the majority, or even almost all, of the primary flow FP, and a part of the secondary flow FS.
  • the remainder of the secondary flow FS and almost all of the induced flow Fl constitute the external flow F10.
  • the primary flow FP exits directly from the combustion chamber of the turbomachine 90, this primary flow FP is at a higher temperature than the secondary flow FS and the induced flow Fl.
  • the internal flow F20 has a higher temperature than the external flow F10 which circulates in the external tube 10 outside the internal tube 20, and a higher temperature than a flow circulating in the external tube 10 in the absence of an internal tube.
  • the heat recovery by the recuperator 40 directly on the internal tube 20 is therefore more efficient.
  • the tests carried out by the inventors show that in the internal tube 20 it is possible to increase the temperature of the recovered flow by 50°C (compared to an exhaust duct 30 without an internal tube 20).
  • the internal flow F20 opens, at the outlet 22 of the internal pipe 20, into a second exhaust chimney 84.
  • the second exhaust chimney 84 is located downstream of the (first) exhaust chimney 83.
  • the second exhaust chimney 84 is attached to the exhaust chimney 83, as illustrated in FIG. 2.
  • the carbon dioxide treatment device 70 is located in the second exhaust chimney 84.
  • the exhaust duct comprises several internal tubes 20 located in the external tube 10.
  • the heat recovery unit 40, the fluid supply device 50, the carbon dioxide storage tank 60, and the carbon dioxide treatment device 70 are similar to those in the embodiment where the exhaust duct 30 comprises a single tube which is the outer tube 10, and operate identically.
  • an advantage of the invention is that the heat provided by the turbomachine 90 is reused directly in the form of heat, without being transformed into another energy (mechanical, electrical, etc.). Energy efficiency is therefore increased.
  • the heat recovery unit 40 is able to store (storage), for the entire duration of the test of the turbomachine 90, the heat emitted by the turbomachine 90.
  • the heat recovery unit 40 is able to store this heat at least until the start of the desorption phase of the adsorbent 71.
  • This configuration has the advantage that the heat supplied to the fluid supply device 50 is substantially uniform over time.
  • the fluctuations in heat supply are smoothed out which occur during the test of the turbomachine 90 (these fluctuations are due to the irregular operation of the combustion chamber of the turbomachine 90).
  • the temperature of the fluid 51 supplied by the fluid supply device 50 is therefore more uniform throughout the desorption (i.e. the temperature is more constant).
  • the desorption of the adsorbent 71 is therefore more regular and more efficient.
  • the heat recovery unit 40 comprises a material which is capable of carrying out this heat storage.
  • this material is selected from the group comprising a phase change material, molten salts, sand, a refractory ceramic.
  • the test bench 80 comprises, in addition to the device 70 for treating carbon dioxide in the gas flow displaced by the turbomachine 90, one (or more) additional adsorber (not shown) which is located upstream of the turbomachine 90.
  • This additional adsorber has the function of capturing the carbon dioxide which is present in the air flow which supplies the turbomachine 90 (upstream air flow).
  • This additional adsorber is desorbed using the fluid supply device 50 by supplying this additional adsorber with the fluid 51 supplied by this device 50.
  • the invention also relates to a method for treating polluting gas present in the gas flow displaced by a gas turbine 90, for example in a test bench 80 as described above.
  • an industrial assembly 80 is provided with a gas turbine 90 comprising a building 88 which comprises an air inlet chimney 81 at a first end of the building 88 and a gas exhaust chimney (83, 84) at a second end of the building 88, a room 82 containing the gas turbine 90.
  • the industrial assembly 80 comprises a pollutant gas treatment device 70 which comprises a solid adsorbent 71
  • step (b) the gas turbine 90 is operated and the gas is adsorbed in the solid adsorbent 71 (for example in the entire solid adsorbent 71). pollutant present in the gas flow which is moved by the gas turbine 90 in operation and which circulates to the exhaust stack (83, 84).
  • step (c) the heat emitted by the gas turbine 90 during the test of step (b) is recovered using a heat recovery unit 40.
  • Steps (b) and (c) are therefore simultaneous.
  • step (d) the operation of the gas turbine 90 of step (b) is stopped.
  • step (f) desorption is carried out in the adsorbent 71 (for example in the entire adsorbent 71) by heating with the fluid 51 supplied in step (e) to a heating temperature Te at least equal to the desorption temperature Td of the adsorbent 71 in order to recover the pollutant gas adsorbed in step (b).
  • Step (f) preferably takes place after the operation of the gas turbine 90 has stopped, i.e. after step (d). However, alternatively, the desorption may begin before the operation of the gas turbine 90 has stopped.
  • step (g) the pollutant gas recovered by desorption in step (f) is sent to a pollutant gas storage tank 60.
  • the heat recovered in step (c) is stored in a material that is located in the heat recovery unit 40 before returning it in step (e).
  • step (e) takes place after step (d).
  • the use of the heat recovered by the heat recuperator 40 (step (e)) takes place after the end of the test of the turbomachine 90.
  • the restitution of the heat and its use can begin before the stopping of the operation (here the test) of the turbomachine 90.
  • the invention applies to any type of turbomachine, for example a turboshaft or a turbofan.

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Abstract

Un ensemble industriel (80) avec turbine à gaz (90) comprend un dispositif de traitement (70) de gaz polluant apte à traiter le flux de gaz déplacé par la turbine à gaz (90). Ce dispositif de traitement (70) comporte un adsorbant (71) solide, et l'ensemble industriel (80) comprend un récupérateur de chaleur (40) apte à récupérer la chaleur émise par la turbine (90) et à transférer ensuite cette chaleur à un dispositif de fourniture de fluide (50) qui chauffe un fluide (51), le dispositif de traitement (70) étant apte à adsorber dans l'adsorbant (71) le gaz polluant du flux de gaz, et à désorber ensuite l'adsorbant (71) par chauffage par le fluide (51) à une température de chauffage (Tc) au moins égale à la température de désorption (Td) dudit adsorbant (71), et à envoyer le gaz polluant fourni par cette désorption dans un réservoir (60) de stockage.

Description

Description
Titre : Ensemble industriel avec turbine à gaz avec capture de gaz polluant et récupération de chaleur
[0001] La présente invention concerne un ensemble industriel avec turbine à gaz comportant un système de dépollution du flux de gaz déplacé par cette turbine à gaz. Notamment, l’invention concerne un banc d’essai de turbomachine.
[0002] Un tel banc d’essai est décrit dans le document WO 2021/009226. En référence à la figure 5 qui représente l’art antérieur, le banc d’essai comprend, de l’amont vers l’aval (dans le sens normal de circulation de l’air) une cheminée d’admission 181 , une salle d’essai 182, un conduit d’échappement et une cheminée d’échappement 183. L’air pénètre dans la salle d’essai 182 par la cheminée d’admission 181 verticale qui est ouverte sur l’extérieur à son entrée. La salle d’essai 182 comprend une turbomachine 190 qui est monté sur une balance de poussée 191. En aval de la turbomachine 190 testée, il existe un conduit d’échappement qui comprend un tube 110 qui est destiné à recevoir à son entrée 111 (extrémité amont) les gaz d’échappement qui s’échappent de la turbomachine 190 durant son essai. Ce tube 110 est muni à sa sortie 112 (extrémité aval) d’un panier éclateur 113 qui est un cylindre fermé à son aval par un couvercle concave et percé sur sa paroi latérale de trous. Les gaz d’échappement sortent du panier éclateur par ces trous et remontent dans la cheminée d’échappement 183 puis sortent dans l’atmosphère.
[0003] En fonctionnement de la turbomachine, on distingue trois flux d’air qui circulent dans la salle d’essai 182 :
- le flux primaire (FP), qui passe au travers de la chambre de combustion (cœur HP (Haute Pression)) de la turbomachine 190 et participe à la combustion. Ce flux primaire FP est donc en sortie chargé de gaz carbonique CO2 mais également d’eau, de Sox, Nox et autres particules ;
- le flux secondaire (FS), qui est comprimé par la soufflante de la turbomachine 90 et qui génère la majeure partie de la poussée ;
- le flux d’air induit (Fl), qui est aspiré par la dépression en sortie de la turbomachine 190. En effet, le flux moteur, somme du flux primaire FP et du flux secondaire FS, en entrant dans le tube 110 du conduit d’échappement, entraîne par effet de trompe à jet un flux dit « induit » qui circule dans la salle d’essais 182 sans passer par la turbomachine 190.
Ces différents flux sont illustrés sur la figure 6 par des flèches, la figure 6 étant une vue longitudinale de la turbomachine 190 et de la partie amont du tube 110 de la figure 5. Par souci de clarté la balance de poussée 191 n’est pas représentée. Tous ces flux circulent dans le tube 110 du conduit d’échappement.
[0004] A cause de la combustion dans la turbomachine 190, les flux ci-dessus qui se mélangent et circulent dans le conduit d’échappement comportent du gaz carbonique qui est relâché dans l’atmosphère en sortie de la cheminée d’échappement 183. Ce relâchement de gaz carbonique est indésirable. Pour réduire ce relâchement dans l’atmosphère, il est possible de placer dans la cheminée d’échappement 183 un dispositif de filtration 170 (également appelé dispositif de traitement) du gaz carbonique.
[0005] Ainsi, en général, on connait un ensemble industriel avec turbine à gaz comprenant un bâtiment qui comporte une cheminée d’entrée d’air au niveau d’une première extrémité du bâtiment et une cheminée d’échappement de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment, une salle contenant la turbine à gaz, et un dispositif de traitement de gaz polluant apte à traiter le flux de gaz déplacé par la turbine à gaz en fonctionnement et qui circule jusqu’à la cheminée d’échappement.
[0006] Cependant, la concentration de gaz polluant dans le flux qui circule dans la cheminée d’échappement 183 est faible, ce qui rend un tel dispositif de filtration 170 peu efficace. En outre, une fois que le filtre du dispositif de filtration 170 est saturé en gaz polluant (phase d’adsorption de gaz polluant dans le filtre) à l’issue du fonctionnement de la turbine à gaz, il est nécessaire de régénérer ce filtre pour en récupérer le gaz polluant et pour permettre l’utilisation ultérieure de ce filtre lors du fonctionnement suivant d’une turbine à gaz. Cette régénération nécessite le chauffage du filtre à une température supérieure à la température maximale lors de la phase d’adsorption (captation du gaz polluant par le filtre). En effet, en fonctionnement usuel de la turbine à gaz, on effectue une succession de phases de fonctionnement, séparées par des périodes d’arrêt (absence de fonctionnement).
Description de l’invention
[0007] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
[0008] L'invention vise à proposer un ensemble industriel avec turbine à gaz qui permette de dépolluer le flux de gaz déplacé par la turbine à gaz, notamment de capturer le gaz polluant qui est présent, de la façon la plus efficace et économique possible, dans le cadre du fonctionnement usuel de cet ensemble industriel avec des phases de fonctionnement successives de la turbine à gaz séparées par des phases d’arrêt de la turbine à gaz.
[0009] Ce but est atteint grâce au fait que le système de traitement de gaz polluant comporte au moins un adsorbant solide, et en ce que l’ensemble industriel comprend en outre un récupérateur de chaleur apte à récupérer la chaleur émis par la turbine à gaz durant sa phase de fonctionnement et à restituer cette chaleur, un dispositif de fourniture de fluide apte à utiliser la chaleur récupérée par le récupérateur de chaleur pour chauffer un fluide, et un réservoir de stockage de gaz polluant, le dispositif de traitement de gaz polluant étant apte d’une part à adsorber dans le au moins un adsorbant le gaz polluant présent dans ce flux de gaz, et étant apte d’autre part à désorber le au moins un adsorbant par chauffage par le fluide à une température de chauffage au moins égale à la température de désorption du au moins un adsorbant, et à envoyer le gaz polluant récupéré lors de la désorption dans le réservoir, cette désorption étant destinée à s’effectuer après l’adsorption dans l’adsorbant.
[0010] Grâce à ces dispositions, il n’est pas nécessaire d’utiliser une source de chaleur externe pour désorber l’adsorbant solide, car on utilise la chaleur produite par la turbomachine, qui serait normalement dissipée et perdue. Grâce à l’invention, on optimise donc thermiquement le banc d’essai. En outre, le retrait pendant un test de la chaleur du conduit d’échappement par le récupérateur de chaleur entraine une baisse de la température du flux qui circule dans le conduit d’échappement. Le flux qui est adsorbé dans l’adsorbant solide est donc à une température plus basse (qu’en l’absence de retrait de cette chaleur) ce qui rend l’adsorption plus efficace. En outre, dans la période entre deux tests, cet adsorbant solide est chauffé par la vapeur produite par le dispositif de production de vapeur grâce à la chaleur produite par la turbomachine et récupérée par le récupérateur de chaleur. L’adsorbant solide peut ainsi être désorbé durant cette période (avec restitution du gaz carbonique qu’il contient) et régénéré entre deux phases d’adsorption. L’adsorbant utilisé pendant une première phase de fonctionnement de la turbine à gaz peut ainsi être utilisé pendant une prochaine phase de fonctionnement de la turbine à gaz. On optimise donc le temps de fonctionnement de la turbomachine et du processus d’adsorption.
[0011] Par exemple, le dispositif de traitement de gaz polluant est apte à adsorber le gaz polluant dans la totalité de l’adsorbant et est apte à désorber la totalité de l’adsorbant par chauffage.
[0012] Par exemple, le dispositif de traitement de gaz polluant comporte un seul adsorbant solide et le dispositif de traitement est apte à adsorber le gaz polluant dans la totalité de l’adsorbant et est apte à désorber la totalité de l’adsorbant par chauffage.
[0013] Ainsi, la totalité de cet unique adsorbant solide adsorbe du gaz carbonique durant une phase de fonctionnement d’une turbine à gaz, et éventuellement d’autres particules polluantes. On optimise donc l’utilisation d’adsorbants car il n’est pas nécessaire d’utiliser un second adsorbant (distinct de ce premier adsorbant ci-dessus) pendant une prochaine phase de fonctionnement de la turbine à gaz (pendant que le premier adsorbant serait en phase de désorption), et en conséquence on simplifie l’architecture du dispositif de traitement du gaz polluant et on minimise sa taille.
[0014] Par exemple, le bâtiment comporte en outre un conduit d’échappement qui est situé en aval de la turbine à gaz et qui est apte à recevoir le flux de gaz déplacé par la turbine à gaz, et tel que le récupérateur de chaleur récupère la chaleur émise par la turbine à gaz directement sur le conduit d’échappement.
[0015] Par exemple, le conduit d’échappement comprend un tube externe s’étendant selon un axe longitudinal avec une entrée apte à recevoir le flux de gaz déplacé par la turbine à gaz et une sortie qui débouche dans la cheminée d’échappement, et tel que le récupérateur de chaleur récupère la chaleur sur le tube externe.
[0016] Par exemple, le bâtiment comporte une seconde cheminée d’échappement et le conduit d’échappement comprend en outre au moins un tube interne s’étendant selon un axe longitudinal et qui est situé à l’intérieur du tube externe avec une entrée et une sortie qui débouche dans la seconde cheminée d’échappement de telle sorte que durant la phase de fonctionnement de la turbine à gaz un flux interne de gaz circule dans le au moins un tube interne et un flux externe de gaz, séparé du flux interne, circule dans le tube externe à l’extérieur du au moins un tube interne, et tel que le récupérateur de chaleur récupère la chaleur directement sur le au moins un tube interne.
[0017] Ainsi, on récupère une quantité de chaleur plus importante.
[0018] Par exemple, le récupérateur de chaleur est apte à stocker la chaleur émise par la turbine à gaz.
[0019] Par exemple, échangeur de chaleur comporte un matériau qui est apte à effectuer le stockage de la chaleur.
[0020] Par exemple, le fluide fourni par le dispositif de fourniture de fluide est de la vapeur d’eau ou un gaz ou de l’eau.
[0021] Par exemple, le banc d’essai comporte en outre un adsorbeur supplémentaire qui est situé sur le trajet du flux d’air qui alimente la turbine à gaz, l’adsorbeur supplémentaire étant apte à être désorbé à l’aide du dispositif de fourniture de fluide.
[0022] L’invention concerne également un procédé de traitement de gaz polluant présent dans le flux de gaz déplacé par une turbine à gaz.
[0023] Selon l’invention, le procédé comprend les étapes suivantes
(a) On fournit un ensemble industriel avec turbine à gaz comprenant un bâtiment qui comporte une cheminée d’entrée d’air au niveau d’une première extrémité du bâtiment et une cheminée d’échappement de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment, une salle contenant la turbine à gaz, l’ensemble industriel comprenant un dispositif de traitement de gaz polluant qui comporte au moins un adsorbant solide ;
(b) On fait fonctionner la turbine à gaz et on adsorbe dans l’adsorbant solide le gaz polluant présent dans le flux de gaz qui est déplacé par la turbine à gaz durant sa phase de fonctionnement et qui circule jusqu’à la cheminée d’échappement ;
(c) On récupère la chaleur émise par la turbine à gaz durant la phase de fonctionnement de l’étape (b) à l’aide d’un récupérateur de chaleur ;
(d) On arrête le fonctionnement de la turbine à gaz de l’étape (b) ;
(e) On restitue la chaleur récupérée à l’étape (c) vers un dispositif de fourniture de fluide apte à utiliser la chaleur récupérée par le récupérateur de chaleur pour chauffer un fluide ;
(f) On désorbe l’adsorbant par chauffage par le fluide fourni à l’étape (e) à une température de chauffage au moins égale à la température de désorption de l’adsorbant afin de récupérer le gaz polluant adsorbé à l’étape (b) ;
(g) On envoie le gaz polluant récupéré par la désorption à l’étape (f) dans un réservoir de stockage de gaz polluant.
[0024] Avantageusement, on stocke la chaleur récupérée à l’étape (c) dans un matériau qui est situé dans le récupérateur de chaleur avant de la restituer à l’étape (e).
[0025] Ainsi, on chauffe l’adsorbant à une température qui est davantage constante, ce qui rend la désorption plus efficace.
[0026] L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
[0027] [Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective d’un banc d’essai de turbomachine selon l’invention.
[0028] [Fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective d’un banc d’essai de turbomachine selon un autre mode de réalisation de l’invention. [0029] [Fig. 3] La figure 3 est vue de côté de la partie amont du banc d’essai de turbomachine de la figure 2.
[0030] [Fig. 4] La figure 4 est, en (A) une illustration schématique du mécanisme d’adsorption par l’adsorbant ; et en (B) une illustration schématique du mécanisme de désorption de l’adsorbant ; dans le dispositif de traitement de gaz carbonique d’un banc d’essai de turbomachine selon l’invention.
[0031] [Fig. 5] La figure 5, déjà décrite, est une vue en perspective d’un banc d’essai de turbomachine selon l’art antérieur.
[0032] [Fig. 6] La figure 6, déjà décrite, est vue de côté de la partie amont du banc d’essai de turbomachine de la figure 5.
Description détaillée de l’invention
[0033] Dans la description ci-dessous, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens normal de circulation du gaz et de l’air dans l’ensemble industriel, dans la turbine à gaz et dans le conduit d’échappement pendant un fonctionnement usuel de cet ensemble industriel.
[0034] L’invention est décrite ci-dessous dans le cas où la turbine à gaz 90 est une turbomachine et où l’ensemble industriel 80 est un banc d’essai de cette turbomachine, mais s’applique à tout ensemble industriel comportant une turbine à gaz où le gaz déplacé doit être dépollué. Un tel ensemble industriel est par exemple une usine, une centrale thermique à gaz, un incinérateur. L’invention est décrite ci-dessous dans le cas où le gaz polluant est du gaz carbonique CO2, mais s’applique à tout gaz polluant (par exemple Sox, Nox) et particules polluantes.
[0035] La figure 1 représente un banc d’essai de turbomachine 90 selon l’invention. Ce banc d’essai 80 comprend un bâtiment 88 qui comprend, de l’amont vers l’aval (dans le sens normal de circulation de l’air en fonctionnement de la turbomachine 90) une cheminée d’admission 81 , une salle 82 et une cheminée d’échappement (83, 84) qui comprend au moins une (première) cheminée d’échappement 83. L’air pénètre dans la salle 82 par la cheminée d’admission 81 verticale qui est ouverte sur l’extérieur à son entrée. La salle 82 comprend une turbomachine 90 qui est monté sur une balance de poussée 91 et qui est destinée à être testée. [0036] En fonctionnement de la turbomachine 90 (c’est-à-dire durant un test), on distingue trois flux d’air qui circulent dans la salle 82 :
- le flux primaire (FP), qui passe au travers de la chambre de combustion (cœur HP (Haute Pression)) de la turbomachine 90 et participe à la combustion. Ce flux primaire FP est donc en sortie chargé de gaz carbonique CO2 mais également d’eau, de Sox, Nox et autres particules polluantes.
- le flux secondaire (FS), qui est compressé par la soufflante de la turbomachine 90 et qui génère la majeure partie de la poussée. Ce flux secondaire FS circule initialement autour du flux primaire FP.
- le flux d’air induit (Fl), qui est aspiré par la dépression en sortie de la turbomachine 90. En effet, le flux moteur, somme du flux primaire FP et du flux secondaire FS, en entrant dans le tube externe 10, entraîne par effet de trompe à jet un flux dit « induit » qui circule dans la salle d’essais 82 sans passer par la turbomachine 90. Ce flux induit Fl circule initialement autour du flux secondaire FS. [0037] Ces trois flux d’air constituent le flux de gaz déplacé par la turbomachine 90. Ce flux de gaz déplacé passe par la cheminée d’échappement (83, 84) puis sort du bâtiment 88. Ce flux de gaz déplacé passe dans un dispositif de traitement 70 de gaz carbonique qui est destiné à traiter ce gaz carbonique et qui est compris dans le banc d’essai 80. Par exemple ce dispositif de traitement 70 est situé dans le bâtiment 88. Ce dispositif de traitement 70 capture le gaz carbonique afin que le flux de gaz qui sort de ce dispositif de traitement 70 soit le moins chargé en gaz carbonique possible, c’est-à-dire que ce flux de gaz soit dépollué. Par exemple, ce dispositif de traitement 70 de gaz carbonique se situe dans la cheminée d’échappement (83, 84). Cette capture du gaz carbonique s’effectue durant le test de la turbomachine 90 (dans le cas général, en fonctionnement de la turbine à gaz 90, c’est-à-dire lorsque la turbine à gaz 90 est en marche).
[0038] Selon l’invention, le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique comporte un adsorbant 71 solide qui est destiné à capturer les molécules de gaz carbonique. Ce dispositif de traitement 70 de gaz carbonique est illustré en figure 4. La figure 4 (A) illustre le phénomène d’adsorption, dans lequel les molécules de gaz carbonique (schématisé par des particules noires) qui sont présentent dans le flux aval sont adsorbés dans l’adsorbant 71 (schématisé par un groupe de cylindres poreux). Ainsi, le gaz qui ressort de l’adsorbant 71 en aval comprend essentiellement des molécules autres que le gaz carbonique.
[0039] Dans un mode de réalisation l’adsorbant solide 71 est dimensionné de manière à récupérer le gaz polluant émis pendant un temps donné avec un rendement de capture souhaité (de manière non limitative ce rendement de capture est par exemple supérieur à 25 %, supérieur à 50%, supérieur à 75 %, préférentiellement supérieur à 90 %). Ce temps donné correspond par exemple au temps d’essai d’une turbine à gaz. Par exemple, le dispositif de traitement 70 est apte à adsorber le gaz polluant dans la totalité de l’adsorbant 71. De manière non limitative, adsorber dans la totalité de l’adsorbant 71 signifie que plus de 20% de la surface de l’adsorbant 71 est saturé de gaz polluant. Par exemple plus de 80% de la surface de l’adsorbant 71 est saturé de gaz polluant. Par exemple 100% ou presque 100% de la surface de l’adsorbant 71 est saturé de gaz polluant. De manière non limitative, désorber la totalité de l’adsorbant 71 signifie que plus de 20% du gaz polluant adsorbé est désorbé. Par exemple, plus de 80% du gaz polluant adsorbé est désorbé. Par exemple 100% ou presque 100% du gaz polluant adsorbé est désorbé.
[0040] Avantageusement, le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique ne comprend qu’un unique adsorbant 71 solide. On explique ci-dessous l’architecture et le fonctionnement du banc d’essai 80, ce qui permet de comprendre pourquoi le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique peut ne comprendre qu’un unique adsorbant 71 solide.
[0041] Le banc d’essai 80 comprend un récupérateur de chaleur 40 qui est apte à récupérer la chaleur émise par la turbomachine 90 durant une phase de fonctionnement de cette turbomachine 90, et à restituer cette chaleur après cette phase de fonctionnement. La restitution peut éventuellement commencer pendant la phase de fonctionnement. Immédiatement en sortie de la turbomachine 90, la température du flux de gaz déplacé est de plusieurs centaines de degrés Celsius. Cette chaleur est restituée pour être utilisée pour désorber la totalité de l’adsorbant 71 solide, après l’adsorption du gaz polluant (par exemple gaz carbonique) par l’adsorbant 71. En effet, la désorption est un procédé qui nécessite un apport de chaleur. Cette désorption s’effectue à une température de chauffage Te qui est au moins égale à la température de désorption Td de l’adsorbant 71. La température de désorption Td est supérieure à la température ambiante, et avantageusement à la température maximale du gaz à l’entrée de l’adsorbant 71 lors de la phase de fonctionnement de la turbomachine. La température de désorption Td est la température à laquelle l’adsorbant relâche (restitue) le gaz polluant qu’il a adsorbé durant la phase d’adsorption. Ainsi, on peut désorber la totalité de l’adsorbant 71 solide avec récupération du gaz carbonique, c’est-à-dire le régénérer après une phase de fonctionnement (ici un test) de la turbomachine 90, pendant une période où il n’y a pas de test. Cet adsorbant 71 solide peut alors être utilisé à nouveau lors d’un prochain test d’une turbomachine. La figure 4 (B) illustre ce phénomène de désorption. Dans le cas où le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique ne comprend qu’un unique adsorbant 71 solide on optimise ainsi l’utilisation des absorbants car il n’est pas nécessaire d’utiliser un second adsorbant lors de ce prochain test (pendant que le premier adsorbant serait désorbé). En conséquence, on simplifie l’architecture du dispositif de traitement 70 du gaz carbonique. En particulier, on diminue le volume et le poids de ce dispositif 70.
[0042] De plus, la récupération de la chaleur du flux de gaz déplacé s’effectue en aval de la turbomachine 90 et en amont du dispositif de traitement 70. La température du flux de gaz déplacé qui est adsorbé dans l’adsorbant 71 solide est donc diminuée. Or il s’avère que le procédé d’absorption sur solide est plus efficace lorsqu’il s’effectue à une température plus basse (entre 20°C et 50°C). L’adsorption du gaz carbonique est donc maximisée.
[0043] Ainsi, on voit que la récupération et l’utilisation de la chaleur émise par la turbomachine 90 durant un test de cette turbomachine 90 permet d’optimiser sous plusieurs aspects le fonctionnement du dispositif de traitement 70 du gaz carbonique.
[0044] Le récupérateur de chaleur 40 comprend au moins un échangeur de chaleur (et en variante un moyen pour stocker la chaleur, voir la description ci- dessous). Cet échange de chaleur peut s’effectuer par tout moyen, par exemple par des plaques, ou par des tubes dans lesquels circule un fluide, ces plaques ou ces tubes étant immergés dans un autre fluide. Ces fluides peuvent être un liquide et un gaz, deux liquides, ou deux gaz.
[0045] On décrit ci-dessous plus en détails le fonctionnement du récupérateur de chaleur 40 et le chauffage de l’adsorbant 71 .
[0046] Le banc d’essai 80 comprend un dispositif de fourniture de fluide 50 qui est apte à utiliser la chaleur récupérée par le récupérateur de chaleur 40 pour chauffer et fournir un fluide 51 à une température au moins égale à une température de chauffage Te qui est supérieure à la température ambiante. Cette température ambiante est environ égale à 20°C. Ce chauffage s’effectue par passage du fluide au sein du récupérateur de chaleur 40 et par échange thermique avec ce fluide. Cet échange thermique s’effectue de façon connue, par exemple par conduction. Le fluide 51 , après passage dans le récupérateur de chaleur 40, est de la vapeur d’eau à une température supérieure à 100°C. Alternativement, le fluide 51 est de l’eau. Alternativement, le fluide 51 est un gaz, par exemple de l’azote. La communication fluidique entre le récupérateur de chaleur 40 et le dispositif de fourniture de fluide 50 s’effectue par exemple par un ou des tuyaux. Le fluide 51 est ensuite distribué au dispositif de traitement 70. La communication fluidique entre le dispositif de fourniture de fluide 50 et le dispositif de traitement 70 s’effectue par exemple par un ou des tuyaux. La température du fluide 51 produit par le dispositif de fourniture de fluide 50 est à une température suffisamment supérieure à la température de chauffage Te pour parvenir au dispositif de traitement 70 à la température de chauffage Te. La température de chauffage Te est suffisante pour permettre la désorption de l’adsorbant solide 71. Par exemple cette température de chauffage Te est supérieure à 100°C.
[0047] Le banc d’essai 80 comprend en outre un réservoir 60 de stockage de gaz carbonique. Le gaz carbonique récupéré (extrait) de l’adsorbant solide 71 par sa désorption est envoyé dans le réservoir 60 pour y être stocké. Cette désorption s’effectue donc après le test de la turbomachine 90 et avant un test suivant d’une turbomachine 90. La communication fluidique entre le dispositif de traitement 70 et le réservoir 60 s’effectue par exemple par un ou des tuyaux.
[0048] Selon un mode de réalisation, en aval de la turbomachine 90 testée, il existe un conduit d’échappement 30 qui est destiné à recevoir le flux des gaz déplacés par la turbomachine 90 durant son test. Ce conduit d’échappement 30 s’étend depuis la salle 82 jusqu’à la cheminée d’échappement 83 de telle sorte que le flux de gaz (ou « flux des gaz >>) qui entre dans le conduit d’échappement 30 en sort au niveau de la cheminée d’échappement 83. Le récupérateur de chaleur 40 récupère la chaleur émise par la turbomachine 90 directement sur le conduit d’échappement 30. Cette récupération s’effectue par exemple par un tuyau qui transporte un fluide caloporteur depuis le conduit d’échappement 30 jusqu’au récupérateur de chaleur 40.
[0049] Selon le mode de réalisation de l’invention qui est illustré en figure 1 , le conduit d’échappement 30 comprend un tube 10 qui s’étend selon un axe longitudinal X1 et qui est destiné à recevoir à son entrée 11 (extrémité amont) le flux des gaz qui s’échappent de la turbomachine 90 durant son essai. L’axe longitudinal X1 est sensiblement l’axe longitudinal selon lequel s’étend la turbomachine 90. Le tube 10 est muni à sa sortie 12 (extrémité aval) d’un panier éclateur 13 qui est un cylindre fermé à son aval par un couvercle concave et percé sur sa paroi latérale de trous. Le flux de gaz F10 qui circule dans le tube 10 sort du panier éclateur 13 par ces trous et remonte dans la cheminée d’échappement 83 puis sort dans l’atmosphère. Le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique se situe dans la cheminée d’échappement 83. Ce tube 10 est appelé tube externe 10 par opposition au tube interne 20 qui est décrit ci-dessous. En fonctionnement (c’est-à-dire durant un test de la turbomachine 90), les flux primaire FP, secondaire FS et induit Fl pénètrent puis circulent dans le tube externe 10.
[0050] Le récupérateur de chaleur 40 récupère la chaleur émise par la turbomachine 90 sur le tube externe 10.
[0051] Selon un autre mode de réalisation de l’invention qui est illustré en figure 2, le conduit d’échappement 30 comprend en outre un tube interne 20 qui s’étend selon un axe longitudinal X2 avec une entrée 21 et une sortie 22 et qui est situé à l’intérieur du tube externe 10 et selon la même direction.
[0052] En fonctionnement, un flux interne F20 de gaz circule à l’intérieur du tube interne 20 et un flux externe F10 de gaz séparé du flux interne F20 circule dans le tube externe 10 à l’extérieur du tube interne 20. [0053] En fonctionnement, les flux primaire FP, secondaire FS et induit Fl pénètrent puis circulent dans le tube externe 10, comme illustré sur la figure 3 par des flèches. La figure 3 est une vue longitudinale de la turbomachine 90 et de la partie amont du tube externe 10 et du tube interne 20 de la figure 2. Par souci de clarté la balance de poussée 91 n’est pas représentée.
[0054] Le tube externe 10 et le tube interne 20 sont coaxiaux, comme illustré en figures 2 et 3. Les axes longitudinaux X1 et X2 sont donc confondus. Le tube externe 10 et le tube interne 20 sont concentriques.
[0055] Grâce à sa position centrale dans l’espace du tube externe 10, le tube interne 20 accueille préférentiellement le flux de gaz qui est le plus central, c’est-à- dire le plus proche de l’axe longitudinal X1. Ainsi, le flux interne F20 est constitué de la majorité, voire de la quasi-totalité, du flux primaire FP, et d’une partie du flux secondaire FS. Le reste du flux secondaire FS et la quasi-totalité du flux induit Fl constituent le flux externe F10.
[0056] Etant donné que le flux primaire FP sort directement de la chambre de combustion de la turbomachine 90, ce flux primaire FP est à une température plus élevée que le flux secondaire FS et le flux induit Fl. Ainsi, le flux interne F20 présente une température plus élevée que le flux externe F10 qui circule dans le tube externe 10 à l’extérieur du tube interne 20, et une température plus élevée qu’un flux circulant dans le tube externe 10 en l’absence de tube interne. La récupération de chaleur par le récupérateur 40 directement sur le tube interne 20 est donc plus efficace. Les essais réalisés par les inventeurs montrent que dans le tube interne 20 on parvient à augmenter la température du flux récupéré de 50°C (par rapport à un conduit d’échappement 30 sans tube interne 20).
[0057] Les essais réalisés par les inventeurs montrent que dans le tube interne 20 on parvient à capter jusqu’à 92% du flux primaire FP. Etant donné que le flux primaire FP est celui des trois flux (FP, FS, Fl) qui est de loin le plus chargé en gaz carbonique, particules carbonées et autres polluants, on parvient grâce à l’invention à augmenter la concentration en gaz carbonique, particules carbonées et autres polluants dans le flux traité par le dispositif de traitement 70 situé en aval du tube interne 10, en comparaison avec le flux qui circule dans un conduit d’échappement 30 sans tube interne 20. [0058] A l’inverse, le flux de gaz F10 qui circule dans le tube 10 à l’extérieur du tube interne 20 et qui sort du panier éclateur 13 puis remonte dans la cheminée d’échappement 83 est très peu chargé en polluants (encore moins que dans le flux qui circule dans le conduit d’échappement sans tube interne 20). On peut donc laisser sortir ce flux de gaz F10 par la cheminée d’extraction 83 sans le filtrer / traiter.
[0059] Le flux interne F20 débouche, au niveau de la sortie 22 du tuyau interne 20, dans une seconde cheminée d’échappement 84. La seconde cheminée d’échappement 84 est située en aval de la (première) cheminée d’échappement 83. Par exemple la seconde cheminée d’échappement 84 est accolée à la cheminée d’échappement 83, comme illustré sur la figure 2. Le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique se situe dans la seconde cheminée d’échappement 84.
[0060] En variante, le conduit d’échappement comprend plusieurs tubes internes 20 situés dans le tube externe 10.
[0061] Le récupérateur de chaleur 40, le dispositif de fourniture de fluide 50, le réservoir 60 de stockage de gaz carbonique, et le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique sont similaires à ceux dans le mode de réalisation où le conduit d’échappement 30 comprend un tube unique qui est le tube externe 10, et fonctionnement de façon identique.
[0062] Dans tous les modes de réalisation, un avantage de l’invention est que la chaleur fournie par la turbomachine 90 est réutilisée directement sous forme de chaleur, sans être transformée en une autre énergie (mécanique, électrique...). L’efficacité énergétique est donc augmentée.
[0063] En option, et quel que soit le mode de réalisation, le récupérateur de chaleur 40 est apte à stocker (emmagasiner), pendant toute la durée du test de la turbomachine 90, la chaleur émise par la turbomachine 90. Ainsi, le récupérateur de chaleur 40 est apte à stocker cette chaleur au moins jusqu’au début de la phase de désorption de l’adsorbant 71. Cette configuration présente l’avantage que la chaleur apportée au dispositif de fourniture de fluide 50 est sensiblement uniforme dans le temps. Ainsi, on lisse les fluctuations de fourniture de chaleur qui se produisent pendant le test de la turbomachine 90 (ces fluctuations sont dues au fonctionnement irrégulier de la chambre de combustion de la turbomachine 90). La température du fluide 51 fourni par le dispositif de fourniture de fluide 50 est donc davantage uniforme pendant toute la désorption (c’est-à-dire que la température est davantage constante). La désorption de l’adsorbant 71 est donc plus régulière et plus efficace.
[0064] Par exemple, le récupérateur de chaleur 40 comporte un matériau qui est apte à effectuer ce stockage de la chaleur. Par exemple, ce matériau est choisi dans le groupe comportant un matériau à changement de phase, des sels fondus, du sable, une céramique réfractaire.
[0065] En option, le banc d’essai 80 comporte, en plus du dispositif de traitement 70 de gaz carbonique dans le flux de gaz déplacé par la turbomachine 90, un (ou plusieurs) adsorbeur supplémentaire (non représenté) qui est situé en amont de la turbomachine 90. Cet adsorbeur supplémentaire a pour fonction de capturer le gaz carbonique qui est présent dans le flux d’air qui alimente la turbomachine 90 (flux d’air amont). On désorbe cet adsorbeur supplémentaire à l’aide du dispositif de fourniture de fluide 50 en alimentant cet adsorbeur supplémentaire avec le fluide 51 fourni par ce dispositif 50.
[0066] L’invention concerne également un procédé de traitement de gaz polluant présent dans le flux de gaz déplacé par une turbine à gaz 90, par exemple dans un banc d’essai 80 tel que décrit ci-dessus.
[0067] Ainsi, selon le procédé de l’invention, à l’étape (a) on fournit un ensemble industriel 80 avec une turbine à gaz 90 comprenant un bâtiment 88 qui comporte une cheminée d’entrée 81 d’air au niveau d’une première extrémité du bâtiment 88 et une cheminée d’échappement (83, 84) de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment 88, une salle 82 contenant la turbine à gaz 90. L’ensemble industriel 80 comprend un dispositif de traitement 70 de gaz polluant qui comporte un adsorbant 71 solide
[0068] A l’étape (b), on fait fonctionner la turbine à gaz 90 et on adsorbe dans l’adsorbant 71 solide (par exemple dans la totalité l’adsorbant 71 solide) le gaz polluant présent dans le flux de gaz qui est déplacé par la turbine à gaz 90 en fonctionnement et qui circule jusqu’à la cheminée d’échappement (83, 84).
[0069] A l’étape (c), on récupère la chaleur émise par la turbine à gaz 90 durant le test de l’étape (b) à l’aide d’un récupérateur de chaleur 40.
[0070] Les étapes (b) et (c) sont donc simultanées.
[0071] A l’étape (d), on arrête le fonctionnement de la turbine à gaz 90 de l’étape (b).
[0072] A l’étape (e), on restitue la chaleur récupérée à l’étape (c) vers un dispositif de fourniture de fluide 50 apte à utiliser la chaleur récupérée par le récupérateur de chaleur 40 pour chauffer un fluide 51 .
[0073] A l’étape (f), on désorbe dans l’adsorbant 71 (par exemple dans la totalité de l’adsorbant 71) par chauffage par le fluide 51 fourni à l’étape (e) à une température de chauffage Te au moins égale à la température de désorption Td de l’adsorbant 71 afin de récupérer le gaz polluant adsorbé à l’étape (b). L’étape (f) a lieu de préférence après l’arrêt du fonctionnement de la turbine à gaz 90, c’est-à-dire après l’étape (d). Cependant, alternativement, la désorption peut débuter avant l’arrêt du fonctionnement de la turbine à gaz 90.
[0074] A l’étape (g), on envoie le gaz polluant récupéré par la désorption à l’étape (f) dans un réservoir 60 de stockage de gaz polluant.
[0075] L’étape (f) de désorption a lieu après l’étape (d), donc après l’étape (b) d’adsorption. En tout état de cause, la désorption de l’adsorbant 71 a nécessairement lieu après l’adsorption. Cependant l’étape (e) d’utilisation de la chaleur récupérée par le récupérateur de chaleur 40 par le dispositif de fourniture de fluide 50 (pour le chauffage du fluide 51) peut commencer avant l’arrêt du fonctionnement (donc avant l’étape (d)) ou commencer après l’étape (d).
[0076] Par exemple, le dispositif de traitement 70 de gaz polluant ne comprend qu’un unique adsorbant 71 solide.
[0077] Optionnellement, on stocke la chaleur récupérée à l’étape (c) dans un matériau qui est situé dans le récupérateur de chaleur 40 avant de la restituer à l’étape (e). Par exemple, l’étape (e) a lieu après l’étape (d). Dans ce cas, l’utilisation de la chaleur récupérée par le récupérateur de chaleur 40 (étape (e)) a lieu après la fin du test de la turbomachine 90. Alternativement, la restitution de la chaleur et son utilisation peuvent commencer avant l’arrêt du fonctionnement (ici le test) de la turbomachine 90. [0078] L’invention s’applique à tout type de turbomachine, par exemple un turboshaft ou un turbofan.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Ensemble industriel (80) avec turbine à gaz (90) comprenant un bâtiment (88) qui comporte une cheminée d’entrée (81) d’air au niveau d’une première extrémité du bâtiment (88) et une cheminée d’échappement (83, 84) de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment (88), une salle (82) contenant ladite turbine à gaz (90), ledit ensemble industriel (80) comprenant un dispositif de traitement (70) de gaz polluant apte à traiter ledit flux de gaz déplacé par ladite turbine à gaz (90) en fonctionnement et qui circule jusqu’à ladite cheminée d’échappement (83, 84), ledit ensemble industriel (80) étant caractérisé en ce que ledit dispositif de traitement (70) de gaz polluant comporte au moins un adsorbant (71) solide, et en ce que ledit ensemble industriel (80) comprend en outre un récupérateur de chaleur (40) apte à récupérer la chaleur émise par ladite turbine à gaz (90) durant sa phase de fonctionnement et à restituer ladite chaleur, un dispositif de fourniture de fluide (50) apte à utiliser la chaleur récupérée par ledit récupérateur de chaleur (40) pour chauffer un fluide (51), et un réservoir (60) de stockage de gaz polluant, ledit dispositif de traitement (70) de gaz polluant étant apte d’une part à adsorber dans ledit au moins un adsorbant (71) le gaz polluant présent dans ledit flux de gaz, et étant apte d’autre part à désorber ledit au moins un adsorbant (71) par chauffage par ledit fluide (51) à une température de chauffage (Te) au moins égale à la température de désorption (Td) dudit adsorbant (71), et à envoyer le gaz polluant récupéré lors de ladite désorption dans ledit réservoir (60), ladite désorption étant destinée à s’effectuer après ladite adsorption dans ledit adsorbant (71).
[Revendication 2] Ensemble industriel (80) selon la revendication 1 tel que ledit dispositif de traitement (70) de gaz polluant est apte à adsorber le gaz polluant dans la totalité dudit au moins un adsorbant (71) et est apte à désorber la totalité dudit au moins un adsorbant (71) par chauffage.
[Revendication 3] Ensemble industriel (80) selon la revendication 1 ou 2 tel que ledit dispositif de traitement (70) de gaz polluant comporte un seul adsorbant (71) solide et que le dispositif de traitement (70) est apte à adsorber le gaz polluant dans la totalité dudit adsorbant (71) et est apte à désorber la totalité dudit adsorbant (71) par chauffage.
[Revendication 4] Ensemble industriel (80) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 tel que ledit bâtiment (88) comporte en outre un conduit d’échappement (30) qui est situé en aval de ladite turbine à gaz (90) et qui est apte à recevoir ledit flux de gaz déplacé par ladite turbine à gaz (90), et tel que ledit récupérateur de chaleur (40) récupère la chaleur émise par ladite turbine à gaz (90) directement sur ledit conduit d’échappement (30).
[Revendication 5] Ensemble industriel (80) selon la revendication 4 tel que ledit conduit d’échappement (30) comprend un tube externe (10) s’étendant selon un axe longitudinal (X1) avec une entrée (11) apte à recevoir ledit flux de gaz déplacé par ladite turbine à gaz (90) et une sortie (12) qui débouche dans ladite cheminée d’échappement (83), et tel que ledit récupérateur de chaleur (40) récupère la chaleur sur ledit tube externe (10).
[Revendication 6] Ensemble industriel (80) selon la revendication 5 tel que ledit bâtiment (88) comporte une seconde cheminée d’échappement (84) et tel que ledit conduit d’échappement (30) comprend en outre au moins un tube interne (20) s’étendant selon un axe longitudinal (X2) et qui est situé à l’intérieur dudit tube externe (10) avec une entrée (21) et une sortie (22) qui débouche dans ladite seconde cheminée d’échappement (84) de telle sorte que durant la phase de fonctionnement de ladite turbine à gaz (90) un flux interne (F20) de gaz circule dans ledit au moins un tube interne (20) et un flux externe (F10) de gaz, séparé dudit flux interne (F20), circule dans ledit tube externe (10) à l’extérieur dudit au moins un tube interne (20), et tel que ledit récupérateur de chaleur (40) récupère la chaleur directement sur ledit au moins un tube interne (20).
[Revendication 7] Ensemble industriel (80) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 tel que ledit récupérateur de chaleur (40) est apte à stocker ladite chaleur émise par ladite turbine à gaz (90).
[Revendication 8] Ensemble industriel (80) selon la revendication 7 tel que ledit récupérateur de chaleur (40) comporte un matériau qui est apte à effectuer le stockage de ladite chaleur.
[Revendication 9] Ensemble industriel (80) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 tel qu’il comporte en outre un adsorbeur supplémentaire qui est situé sur le trajet du flux d’air qui alimente ladite turbine à gaz (90), ledit adsorbeur supplémentaire étant apte à être désorbé à l’aide dudit dispositif de fourniture de fluide (50).
[Revendication 10] Ensemble industriel (80) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 tel qu’il est un banc d’essai avec turbomachine (90) et tel que ledit gaz polluant est du gaz carbonique.
[Revendication 11] Procédé de traitement de gaz polluant présent dans le flux de gaz déplacé par une turbine à gaz (90) caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
(a) On fournit un ensemble industriel (80) avec turbine à gaz (90) comprenant un bâtiment (88) qui comporte une cheminée d’entrée (81) d’air au niveau d’une première extrémité du bâtiment (88) et une cheminée d’échappement (83, 84) de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment (88), une salle (82) contenant la turbine à gaz (90), ledit ensemble industriel (80) comprenant un dispositif de traitement (70) de gaz polluant qui comporte au moins un adsorbant (71) solide;
(b) On fait fonctionner ladite turbine à gaz (90) et on adsorbe dans ledit adsorbant (71) solide le gaz polluant présent dans le flux de gaz qui est déplacé par ladite turbine à gaz (90) durant sa phase de fonctionnement et qui circule jusqu’à ladite cheminée d’échappement (83, 84);
(c) On récupère la chaleur émise par ladite turbine à gaz (90) durant la phase de fonctionnement de l’étape (b) à l’aide d’un récupérateur de chaleur (40) ;
(d) On arrête le fonctionnement de la turbine à gaz (90) de l’étape (b) ;
(e) On restitue la chaleur récupérée à l’étape (c) vers un dispositif de fourniture de fluide (50) apte à utiliser la chaleur récupérée par ledit récupérateur de chaleur (40) pour chauffer un fluide (51) ;
(f) On désorbe ledit adsorbant (71) par chauffage par ledit fluide (51) fourni à l’étape (e) jusqu’à une température de chauffage (Te) au moins égale à la température de désorption (Td) dudit adsorbant (71) afin de récupérer le gaz polluant adsorbé à l’étape (b) ;
(g) On envoie le gaz polluant récupéré par la désorption à l’étape (f) dans un réservoir (60) de stockage de gaz polluant.
[Revendication 12] Procédé de traitement de gaz polluant selon la revendication 11 tel qu’on stocke ladite chaleur récupérée à l’étape (c) dans un matériau qui est situé dans ledit échangeur de chaleur (40) avant de la restituer à l’étape (e).
[Revendication 13] Procédé de traitement de gaz polluant selon la revendication 11 ou 12 tel que ledit ensemble industriel (80) est un banc d’essai, ladite turbine à gaz (90) est une turbomachine et tel que ledit gaz polluant est du gaz carbonique.
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