EP4688215A1 - Banc de test de turbine à gaz avec capture de gaz - Google Patents

Banc de test de turbine à gaz avec capture de gaz

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EP4688215A1
EP4688215A1 EP24722678.0A EP24722678A EP4688215A1 EP 4688215 A1 EP4688215 A1 EP 4688215A1 EP 24722678 A EP24722678 A EP 24722678A EP 4688215 A1 EP4688215 A1 EP 4688215A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
gas turbine
test bench
adsorbent
channels
Prior art date
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Pending
Application number
EP24722678.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Caroline Marie Frantz
Franck Marc Florent SELLES
Bruna Manuela Ramos
Marie-Laure Madeleine Yvonne DE CRESCENZO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS, Safran Landing Systems SAS filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP4688215A1 publication Critical patent/EP4688215A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—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
    • B01D53/02—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
    • 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
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/14—Testing gas-turbine engines or jet-propulsion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/20—Organic adsorbents
    • B01D2253/204—Metal organic frameworks (MOF's)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/30—Physical properties of adsorbents
    • B01D2253/34—Specific shapes
    • B01D2253/342—Monoliths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D2257/302—Sulfur oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/40—Nitrogen compounds
    • B01D2257/404—Nitrogen oxides other than dinitrogen oxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
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    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/01—Engine exhaust gases

Definitions

  • the present invention relates to a gas turbine test bench. More specifically, the invention relates to a turbomachine test bench comprising a system for depolluting a polluting gas present in the gas flow displaced by this turbomachine.
  • this polluting gas is carbon dioxide CO2.
  • 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 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 inlet.
  • 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 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 up into the exhaust chimney 183 then exit into the atmosphere.
  • a burster basket 113 which is a cylinder closed 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 up into the exhaust chimney 183 then exit into the atmosphere.
  • the engine flow the sum of the primary flow FP and the secondary flow FS, when entering the tube 110 of the exhaust duct, causes, by horn effect, to jet a so-called “induced” flow which circulates in the test room 182 without passing through the turbomachine 190.
  • Figure 9 is a longitudinal view of the turbomachine 190 and the upstream part of the tube 110 of Figure 8.
  • the thrust balance 191 is not shown. All these flows circulate in the tube 110 of the exhaust duct.
  • a filtration device 170 (also called a treatment device) for the carbon dioxide contained in these flows.
  • a filtration device 170 consists of a bed or a stack of grains of adsorbent material through which the flows to be depolluted pass.
  • Such a device is that used in the direct capture of carbon dioxide in the ambient air (“Direct Air Capture” or DAC).
  • a gas turbine test bench 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 test room containing the gas turbine intended to be tested, and at least one pollutant gas treatment device capable of treating the gas flow which is displaced by the turbine in operation and which circulates to the exhaust chimney.
  • the concentration of pollutant gas (carbon dioxide in the example given above) in the flow circulating in the exhaust stack 183 is low (between 0.4% and a few percent).
  • This characteristic makes the filtration device 170 inefficient.
  • the air flow rate through the filtration device 170 is high, and that the operation of the test bench is discontinuous (the turbomachine test phases are separated by phases without tests), the filtration process is very energy-consuming.
  • there is a pressure drop across the filtration device 170 and it is desirable to reduce this pressure loss in order to allow correct exhaust of gases in the bench during the entire test phase.
  • the present invention aims to remedy these drawbacks.
  • the invention aims to propose a gas turbine test bench in which the treatment of the polluting gas present in the gas flow displaced by this gas turbine in operation is carried out with a minimum of pressure loss through this treatment device, with optimum efficiency, and in the most economical way possible.
  • the pollutant gas treatment device comprises a solid adsorbent which is made up of at least one modular block having a plurality of channels whose walls are adsorbent and in which the flow of displaced gas is able to flow.
  • the gas to be depolluted is able to flow more freely through the treatment device while being depolluted, and consequently the pressure drop through the pollutant gas treatment device is reduced.
  • the channel structure with adsorbent walls of the adsorbent (rather than a stacked grain structure) allows depollution while allowing a gas flow to flow more freely.
  • the gas flow depollution process is simplified since, thanks to the structure of the adsorbent, it is possible to operate up to 85% humidity in the gas flow. It is therefore not necessary to use a dehumidification device upstream of the gas treatment device.
  • the test bench and the gas treatment device are energy-optimized since it is the turbine itself that provides the suction of the gas flow during a test.
  • the modular block structure of the adsorbent allows adaptation to a variety of test bench architectures. This reduces the costs associated with a modification of the test bench.
  • the block or blocks consist of metal substrates shaped to form the channels and a porous adsorbent material that covers the substrates.
  • the adsorbent material is a metallo-organic network.
  • At least two of the channels are parallel and their main axis A is oriented, at the upstream end of the channels, according to the flow direction of the displaced gas flow.
  • each of the channels has a cross-section selected from a polygonal section and a curvilinear section.
  • the open section area of the at least one block is greater than or equal to 70% of the total cross-section area of the at least one block.
  • the treatment device comprises a conduit which is connected to the exhaust stack downstream of the exhaust stack and such that the adsorbent rests directly on the ground.
  • the test bench comprises a second pollutant gas treatment device which is located upstream of the gas turbine.
  • test bench does not have a system for suctioning the displaced gas flow separate from the gas turbine.
  • the invention also relates to a method of making a gas turbine test bench which comprises a building which has an inlet chimney. air at a first end of the building and a gas exhaust stack at a second end of the building and a test room containing the gas turbine to be tested.
  • the method comprises the following steps:
  • a modular block is constructed which has a plurality of channels with absorbent walls.
  • step (b) If necessary, step (a) is repeated in order to construct a plurality of modular blocks, the at least one modular block constituting an adsorbent, with which a pollutant gas treatment device is formed.
  • the pollutant gas device is arranged in the test bench in such a way that the gas flow which is displaced by the operating gas turbine and which circulates to the exhaust stack is able to flow into the channels.
  • the adsorbent consists of a plurality of the blocks which are arranged in a transverse plane perpendicular to the flow direction in the blocks to form a layer, this arrangement being repeated to form a plurality of these layers, the layers being aligned in the flow direction to form the adsorbent.
  • Figure 1 is a perspective view of a gas turbine test bench according to the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of a gas turbine test bench according to another embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a perspective view of a gas turbine test bench according to yet another embodiment of the invention.
  • Figure 4 is, in (A) a perspective view of the structure of the adsorbent; in (B) a perspective view of a block of the adsorbent; and in (C) a schematic illustration of the adsorption mechanism in a channel of a block of the adsorbent in perspective; in the gas treatment device of a gas turbine test bench according to the invention.
  • Figure 5 is, in (A) a perspective view of another embodiment of a block of the adsorbent; and in (B) a cross-sectional view of yet another embodiment of a block of the adsorbent; in the gas treatment device of a gas turbine test bench according to the invention.
  • FIG. 6 is an illustration of a portion of an alternative embodiment of a block of the adsorbent of Fig. 4(B).
  • Figure 7 is, at (A), an illustration of a portion of yet another embodiment of a block of the adsorbent; and at (B) an illustration of a portion of yet another embodiment of a block of the adsorbent; in the gas treatment device of a gas turbine test bench according to the invention.
  • FIG. 8 Figure 8, already described, is a perspective view of a turbomachine test bench according to the prior art.
  • FIG. 9 Figure 9, already described, is a side view of the upstream part of the turbomachine test bench of Figure 8.
  • upstream and downstream are defined relative to the normal direction of gas and air flow in the test bench, in the gas turbine and in the exhaust duct during normal operation of the invention.
  • the invention is described below in the case where the gas turbine is a turbomachine and where the test bench is a test bench, but applies to any gas turbine and to any type of test.
  • the invention is described below in the case where the pollutant gas is carbon dioxide CO2, but applies to any pollutant gas (for example Sox, Nox) and pollutant 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 test room 82 and a chimney exhaust 83. Air enters the test room 82 through the vertical intake chimney 81 which is open to the outside at its inlet.
  • the test room 82 includes a turbomachine 90 which is mounted on a thrust balance 91 and which is intended to be tested.
  • This secondary flow FS initially circulates around the primary flow FP.
  • the engine flow the sum of the primary flow FP and the secondary flow FS, on entering the external tube 10, causes, by jet pump effect, a so-called “induced” flow which circulates in the test room 82 without passing through the turbomachine 90.
  • This induced flow Fl initially circulates around the secondary flow FS.
  • This capture of carbon dioxide is carried out during the passage of the gas flow displaced in the treatment device 70.
  • the carbon dioxide is captured during the passage of the gas flow displaced in the treatment device 70.
  • the time of this capture corresponds to the operating time of the turbomachine 90 during a test of this turbomachine 90.
  • the time of this capture is slightly greater than this operating time.
  • the carbon dioxide treatment device 70 comprises a conduit which is connected upstream to the outlet of the exhaust chimney 83, and which comprises the adsorbent 71 at its downstream end.
  • the displaced gas flow therefore passes into this conduit when leaving the exhaust chimney 83 and then passes through the adsorbent 71.
  • the adsorbent 71 rests on the ground, which facilitates its assembly and its inclusion in the treatment device 70.
  • the gas flow passes through the adsorbent 71 in an essentially horizontal direction.
  • the carbon dioxide treatment device 70 which is located downstream of the turbomachine 90 on the path of the gas flow displaced by this turbomachine 90, constitutes a first treatment device which is part of the test bench 80.
  • the test bench 80 can comprise one or more other treatment devices, called second treatment device 60, which is located upstream of the turbomachine 90. This second treatment device 60 will be described below.
  • the (first) carbon dioxide treatment device 70 comprises a solid absorbent 71 which is intended to capture the carbon dioxide molecules.
  • This carbon dioxide treatment device 70 is illustrated in FIG. 1 and FIG. 2.
  • the solid adsorbent 71 consists of a modular block 72, or of a plurality of modular blocks 72, one of which is illustrated.
  • the invention is described below in the case where the solid adsorbent consists of a plurality of blocks 72. These blocks 72 are joined together by their lateral faces. The blocks 72 therefore all extend in the same longitudinal direction. This longitudinal direction is substantially the direction in which the displaced gas flow passes through the blocks 72.
  • each block 72 is of rectangular (e.g.
  • each block 72 has a plurality of channels 73 including the walls are adsorbent and in which the displaced gas flow is able to flow. Each block 72 is divided into channels 73 by the walls of these channels 73 such that there is no space between these channels 73.
  • Figure 4(A) illustrates the carbon dioxide treatment device 70 according to the invention, the solid adsorbent 71 and the blocks 72 that compose it.
  • the adsorbent 71 has a parallelepiped shape and is made up of the parallelepiped blocks 72 joined by their lateral faces and arranged in the same plane. The blocks 72 therefore form a single layer.
  • Figure 4(B) shows an isolated block 72, with the channels 73 that pass through it from one face to the opposite face.
  • Figure 4(B) also illustrates the adsorption phenomenon, in which the carbon dioxide molecules (shown schematically by black particles) that are present in the downstream flow are adsorbed in the surfaces of the walls of the channels 73.
  • the gas that emerges from the adsorbent 71 downstream essentially comprises molecules other than carbon dioxide (these molecules are shown schematically by white particles).
  • the central curve of a channel 73 is defined as the line passing through the centers of the cross sections of this channel 73 (a cross section is perpendicular to the longitudinal direction of this channel which is the direction in which it extends). In the general case, these central curves are curved.
  • the main axis A of a channel 73 is then defined as the tangent to the central curve of the channel 73 at the upstream end of the channel 73.
  • the channels 73 are rectilinear.
  • the central curve of a channel 73 is a straight line which coincides with the main axis A of the channel 73, which is called the central line.
  • the two central curves of any two channels 73 are parallel, that is to say that any normal to one of these central curves is a normal to the other of these central curves.
  • parallel channels 73 In the case where the channels 73 are rectilinear, this means that the central lines of the channels 73 are all parallel.
  • each channel 73 has a cross section.
  • the cross section is polygonal, that is to say that this section is formed by a polygon.
  • this polygon is a square, a rectangle, or a triangle.
  • the cross section is curvilinear, that is to say that the section is formed by a curve without an angular point.
  • this curve is an ellipse or a circle.
  • the cross section is formed by a curvilinear part and a polygonal or rectilinear part.
  • the cross section is formed by a rectilinear segment and a curve which extends this segment at two angular points. This variant is illustrated in FIG. 4(B) and in FIG. 4(C) in the case where this curve is a substantially sinusoidal arch.
  • the blocks 72 are made up of substrates (74, 75) shaped into channels 73 and a porous adsorbent material 76 which covers these substrates (74, 75).
  • these substrates (74, 75) are metallic.
  • these substrates (74, 75) are made from metal sheets. This metal is for example steel or an FeCrAl alloy.
  • the metal substrates consist of first flat or curved sheets 74 and second corrugated sheets 75 which are stacked alternately and in point contacts such that each second sheet 75 is sandwiched between two first sheets 74.
  • each channel 73 is delimited by a portion of first sheet 74 and by an arch of a second sheet 75 which touches the first sheet 74 along two lines parallel to the main axis A of the channel 73.
  • each block 72 is a tube of rectangular section, for example of square section, the first sheets 74 of this block 72 are flat, each second corrugated sheet 75 being sandwiched between two first sheets 74 and in point contact with them.
  • FIG. 4(C) also illustrates the adsorption phenomenon in a channel 73, in which the carbon dioxide molecules (black particles) which are present in the downstream flow are adsorbed in the adsorbent material 76 which covers the first sheet 74 and the second sheet 75.
  • the first sheet 74 and the second sheet 75 covered with adsorbent material 76 thus form the walls of the channel 73.
  • the gas which emerges from the adsorbent 71 downstream essentially comprises molecules (white particles) other than carbon dioxide.
  • the transverse plane P shows in transparency the absorbent material 76 which covers the first sheet 74 and the second sheet 75.
  • each block 72 is a tube and the first sheets 74 of the block 72 are shaped as tubes coaxial with this tube.
  • Each second sheet 75 is undulating between two first sheets 74 over a complete circumference.
  • a first sheet 74 and a second sheet 75 in point contact with this first sheet 74 form channels 73.
  • each block 72 is a tube and surrounds a first single sheet 74 which is shaped in a spiral.
  • a second single sheet 75 extends in an undulating manner between the layers of this first sheet 74.
  • this first sheet 74 and this second sheet 75 form disjoint channels 73.
  • each block 72 is a tube and surrounds the first sheets 74 which are shaped into spirals which form S's.
  • Each second sheet 75 is undulating between two first sheets 74.
  • a portion of a second sheet 75 is illustrated.
  • FIG. 5(B) is a view of the block 72 in a transverse plane such that the main axis A (represented by a black dot) is perpendicular to the plane of the page.
  • a first sheet 74 and a second sheet 75 in contact with this first sheet 74 form disjoint channels 73.
  • the walls of the channels 73 have reliefs 77 which generate turbulence in the gas flow which circulates in these channels 73. Consequently, the adsorption of carbon dioxide in the channels 73 is more efficient.
  • the first sheets 74 and/or the second sheets 75 have reliefs 77.
  • FIG. 6 illustrates an example of these reliefs.
  • the second sheets 75 have substantially sinusoidal undulations in the direction of the main axis A of each channel 73 over the entire length of each channel 73. These undulations therefore constitute these reliefs 77.
  • the first sheets 74 do not have undulations.
  • the first sheets 74 have undulations, for example identical to the undulations of the second sheets 75.
  • Figure 6 also illustrates an enlargement of the portion of a channel 73 surrounded by a dotted circle (in a transverse plane perpendicular to the main axis A). This enlargement shows the deposition of adsorbent material 76 on the first sheet 74 and on the second sheet 75.
  • the metal substrates are made of first corrugated sheets 74 and second corrugated sheets 75 which are stacked alternately and in point contacts such that each second sheet 75 is sandwiched between two first sheets 74.
  • first corrugated sheets 74 and second corrugated sheets 75 which are stacked alternately and in point contacts such that each second sheet 75 is sandwiched between two first sheets 74.
  • each channel 73 is corrugated in the direction of its main axis A.
  • Each channel 73 therefore has a central curve which is corrugated in the direction of its main axis A.
  • the first corrugated sheets 74 and the second corrugated sheets 75 are identical.
  • Each sheet (74, 75) is corrugated in its main plane only in the transverse direction and therefore forms rectilinear parallel passages.
  • the main axis of each of the channels of a first sheet 74 is oriented along a first main axis A1 and the main axis of each of the channels of a second sheet is oriented along a second main axis A2.
  • the main planes of the first sheets 74 and second sheets 75 are parallel to a plane P, perpendicular to the plane of FIG. 7(B).
  • the thickness of the metal sheets (74, 75) is less than 100 microns, which increases the ratio of the open surface of the block 72 to its total surface of its cross section.
  • the open surface of a block 72 is defined as the surface without material in a cross section of this block 72.
  • this thickness is less than 50 microns.
  • this thickness is between 20 microns and 30 microns.
  • the number of channels 73 in a block 72 of given cross-section can be increased.
  • the density of channels 73 is greater than 155 channels/cm 2 (1000 channels/in 2 (channels per square inch)), for example greater than 190 channels/cm 2 (1200 channels/in 2 ), for example greater than 250 channels/cm 2 (1600 channels/in 2 ).
  • the adsorbent material 76 of the blocks 72 is a porous material which is a metal-organic framework (MOF).
  • MOF metal-organic framework
  • These materials have a covalent structure with ordered micro-porous or meso-porous hybrid crystals which are created from the reaction between organic molecules and metal ions.
  • These structures are ultraporous (high porosity greater than 1000 m 2 per gram), which allows them to store a greater quantity of gas than conventional porous solids whose porosity is lower.
  • this adsorbent material 76 is of the SIFSIX class or is of the MOF-74 class.
  • the layer of adsorbent material 76 has a thickness of between 5 and 30 microns, for example between 10 and 20 microns.
  • the second advantages of the adsorbent block 72 of the invention are provided by the nature of the substrate (74, 75) and are as follows:
  • the choice of a metal substrate on which the adsorbent material 76 is deposited, rather than a ceramic substrate or a matrix made of extruded or 3D printed material, makes it possible to considerably reduce the wall thicknesses to a few tens of microns compared to several hundred microns.
  • By thus reducing the material thicknesses between the channels 73 of a block 72 it is possible, for a given density of channels 73, to increase the open surface of a block 72 beyond 70%, for example up to 90% of the surface of a total cross-section of the block 72. This results in a reduction, for the same size of block 72, of the resistance to the gas flow.
  • the reduction in the thickness of the substrate allows the deposition of materials with a thickness of a few tens of microns to ensure a greater carbon dioxide retention capacity, always with an acceptable pressure drop and volume of the block 72.
  • the metal substrate has on the one hand a lower specific heat capacity than other materials which allows not to store the heat emitted during gas adsorption, and on the other hand a higher thermal conductivity which allows to heat quickly during desorption for example.
  • a ceramic substrate cannot withstand rapid heating and can crack.
  • the third advantages of the adsorbent block 72 of the invention are provided by the structure of this block 72. Indeed, the use of corrugated sheets 75 low thicknesses make it possible to significantly increase the number of channels (up to 190 channels/ cm2 or more compared to 100 channels/ cm2 typically for ceramic blocks), which significantly increases the adsorption surface of a channel 73, which increases the carbon dioxide retention capacity for the same volume of a block 72.
  • the test bench 80 comprises a second carbon dioxide treatment device 60 which is located upstream of the turbomachine 90.
  • this second treatment device 60 is located at the upstream end of the intake chimney 81.
  • this second treatment device 60 is located between the intake chimney 81 and the test room 82.
  • this second treatment device 60 can be located upstream and/or downstream of acoustic baffles (not shown) which are located in the test room 82 upstream of the turbomachine 90. This second treatment device 60 contributes to depolluting the gas flow before it enters the turbomachine 90.
  • the turbomachine 90 since the turbomachine 90, during its operation, generates a gas flow in the building 88, an additional suction system, separate from the turbomachine, is not necessary. However, as a variant, the building 88 comprises an additional suction system which contributes to circulating this gas flow.
  • the invention also relates to a method for producing a test bench 80 for a gas turbine 90 which comprises a building 88 as described above, this method comprising the following steps:
  • a modular block 72 is constructed which has a plurality of channels 73 whose walls are adsorbent.
  • step (b) If necessary, step (a) is repeated in order to construct a plurality of modular blocks 72, the modular block(s) 72 constituting an adsorbent 71, with which a device 70 for treating pollutant gas is formed.
  • step (c) The pollutant gas device 70 is arranged in the test bench 80 such that the gas flow which is displaced by said gas turbine 90 in operation and which circulates to the exhaust chimney 83 is able to flow in the channels 73.
  • step (a) comprises a step (a1) where an adsorbent material 76 is deposited on a metal substrate (74, 75) and a step (a2) where the metal substrate (74, 75) is shaped to form the plurality of channels.
  • Step (a1) is carried out before or after step (a2).
  • a support or a guide is used by means of which the metal substrates (74, 75) are positioned in order to form a block 72. Indeed, since the metal substrates (74, 75) are thin, they are fragile and must be handled with care.
  • the adsorbent material is deposited on the metal substrate (74, 75) by one of the following coating methods, which are particularly suitable for deposits in small channels (less than a millimeter for example) over a certain length (for example several tens of centimeters) which presents a difficulty:
  • a first method is “slurry coating” (called the “slurry method”), which consists of depositing a powder/binder suspension on the part to be treated, in this case the metal substrate, then by a thermal cycle, decomposing the slurry and diffusing the deposited element.
  • slurry method consists of depositing a powder/binder suspension on the part to be treated, in this case the metal substrate, then by a thermal cycle, decomposing the slurry and diffusing the deposited element.
  • a second method is Sol-Gel (short for solution-gelation) deposition by dip-coating, which is a process for producing materials that allows the synthesis of glasses, ceramics and organo-mineral hybrid compounds, from precursors in solution.
  • a third method is cathodic electrophoresis, also called “cataphoresis", which is an electrochemical deposition process.
  • the metal substrate to be coated is immersed in a bath of conductive and aqueous solution and, under the effect of a direct current applied to this substrate, which is conductive and forms the cathode, a layer of organic solution is deposited on the substrate.
  • step (a) has a step (a3) after step (a1), or more generally immediately before step (b), during which a check is carried out on the uniformity of the thickness of the coating in the future longitudinal direction, and if necessary this deposition is adjusted or restarted in order to obtain satisfactory uniformity.
  • step (b) in an embodiment described above, the blocks 72 are assembled by their side walls in the same transverse plane to form a layer of blocks 72. This layer then constitutes the adsorbent 71.
  • step (b) several of these layers are formed and then these layers are aligned in the longitudinal direction in order to constitute the adsorbent 71.
  • a support or a guide is used by which the layers of blocks 72 are positioned in order to align them exactly and without spaces between these layers.
  • a reinforcement can also be added to these blocks 72 in order to stiffen the adsorbent 71 and prevent it from deforming.

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Abstract

L'invention concerne un banc de test (80) de turbine à gaz (90) comprenant un bâtiment (88) qui comporte une cheminée d'entrée (81) d'air au niveau de sa première extrémité et une cheminée d'échappement (83) de gaz au niveau de sa seconde extrémité, une salle de test (82) contenant la turbine à gaz (90) destinée à être testée, et au moins un dispositif de traitement (70) de gaz polluant apte à traiter 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). Le dispositif de traitement (70) de gaz polluant comporte un adsorbant (71) solide qui est constitué d'au moins un bloc (72) modulaire présentant une pluralité de canaux (73) dont les parois sont adsorbantes et dans lesquels le flux de gaz déplacé est apte à s'écouler

Description

Description
Titre : Banc de test de turbine à gaz avec capture de gaz
[0001] La présente invention concerne un banc de test de turbine à gaz. Plus spécialement l’invention concerne un banc d’essai de turbomachine comportant un système de dépollution d’un gaz polluant présent dans le flux de gaz déplacé par cette turbomachine. Par exemple ce gaz polluant est du gaz carbonique CO2.
[0002] Un tel banc d’essai est décrit dans le document WO 2021/009226. En référence à la figure 8 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 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 et de gaz 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 compressé 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 9 par des flèches, la figure 9 étant une vue longitudinale de la turbomachine 190 et de la partie amont du tube 110 de la figure 8. 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, et dépolluer ces flux, il est possible de placer dans la cheminée d’échappement 183 un dispositif de filtration 170 (également appelé dispositif de traitement) du gaz carbonique contenu dans ces flux. Un tel dispositif de filtration 170 consiste en un lit ou un empilement de grains de matériau adsorbant au travers duquel les flux à dépolluer passent. Un tel dispositif est celui utilisé dans la capture directe de gaz carbonique dans l’air ambiant (« Direct Air Capture » ou DAC).
[0005] Ainsi, d’une façon générale, on connaît un banc de test de 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 de test contenant la turbine à gaz destinée à être testée, et au moins un dispositif de traitement de gaz polluant apte à traiter le flux de gaz qui est déplacé par la turbine en fonctionnement et qui circule jusqu’à la cheminée d’échappement.
[0006] Cependant, la concentration de gaz polluant (du gaz carbonique dans l’exemple donné ci-dessus) dans le flux qui circule dans la cheminée d’échappement 183 est faible (entre 0,4% et quelques pourcents). Cette caractéristique rend le dispositif de filtration 170 peu efficace. En outre, étant donné que le débit d’air au travers du dispositif de filtration 170 est important, et que le fonctionnement du banc de test est discontinu (les phases de test de turbomachine sont séparées par des phases sans tests), le procédé de filtration est très consommateur en énergie. En outre, il existe une perte de charge au travers du dispositif de filtration 170, et il est souhaitable de réduire cette perte de charge afin de permettre un échappement correct des gaz dans le banc durant toute la phase de test.
Description de l’invention
[0007] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
[0008] L'invention vise à proposer un banc de test de turbine à gaz dans lequel le traitement du gaz polluant présent dans le flux de gaz déplacé par cette turbine à gaz en fonctionnement est effectué avec un minimum de perte de charge au travers de ce dispositif de traitement, avec une efficacité optimale, et de la façon la plus économique possible.
[0009] Ce but est atteint grâce au fait que le dispositif de traitement de gaz polluant comporte un adsorbant solide qui est constitué d’au moins un bloc modulaire présentant une pluralité de canaux dont les parois sont adsorbantes et dans lesquels le flux de gaz déplacé est apte à s’écouler.
[0010] Grâce à ces dispositions, le gaz à dépolluer est apte à s’écouler plus librement au travers du dispositif de traitement tout en étant dépollué, et en conséquence on réduit la perte de charge au travers du dispositif de traitement de gaz polluant. En effet, la structure en canaux avec des parois adsorbantes de l’adsorbant (plutôt qu’une structure en grains empilés) permet une dépollution tout en laissant un flux de gaz s’écouler plus librement. En outre, on simplifie le processus de dépollution du flux de gaz puisque, grâce à la structure de l’adsorbant, on est apte à fonctionner jusqu’à 85% d’humidité dans le flux de gaz. Il n’est donc pas nécessaire d’utiliser un dispositif de déshumidification en amont du dispositif de traitement du gaz. Par ailleurs, on optimise énergétiquement le banc de test et le dispositif de traitement de gaz puisque c’est la turbine elle-même qui fournit l’aspiration du flux de gaz durant un test. De plus, dans le cas où l’adsorbant solide est constitué d’une pluralité de blocs modulaires, la structure en blocs modulaires de l’adsorbant permet une adaptation à une variété d’architecture des bancs de test. On réduit ainsi les coûts associés à une modification du banc de test. [0011] Par exemple, le bloc ou les blocs sont constitués de substrats métalliques conformés pour former les canaux et d’un matériau adsorbant poreux qui recouvre les substrats.
[0012] Ainsi, l’adsorption est plus efficace et la perte de charge au travers des blocs est minimisée.
[0013] Par exemple, le matériau adsorbant est un réseau métallo-organique.
[0014] Ainsi, l’adsorption est plus efficace.
[0015] Par exemple, au moins deux des canaux sont parallèles et leur axe principal A est orienté, à l’extrémité amont des canaux, selon la direction d’écoulement du flux de gaz déplacé.
[0016] Ainsi, la perte de charge au travers des blocs est minimisée.
[0017] Par exemple, chacun des canaux a une section transversale choisie parmi une section polygonale et une section curviligne
[0018] Par exemple, la surface de la section ouverte du au moins un bloc est supérieur ou égal à 70% de la surface de la section transversale totale du au moins un bloc.
[0019] Ainsi, la perte de charge au travers des blocs est minimisée.
[0020] Par exemple, le dispositif de traitement comporte un conduit qui est relié à la cheminée d’échappement en aval de la cheminée d’échappement et tel que l’adsorbant repose directement sur le sol.
[0021] Ainsi, l’incorporation de l’adsorbant dans le bâtiment du banc de test est facilitée.
[0022] Par exemple, le banc de test comporte un second dispositif de traitement de gaz polluant qui est situé en amont de la turbine à gaz.
[0023] Ainsi, la dépollution de flux de gaz est optimisée.
[0024] Par exemple, le banc de test est dépourvu d’un système d’aspiration du flux de gaz déplacé distinct de la turbine à gaz.
[0025] L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un banc de test de turbine à gaz qui comprend 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 et une salle de test contenant la turbine à gaz destinée à être testée.
[0026] Selon l’invention, le procédé comprend les étapes suivantes
(a) on construit un bloc modulaire qui présente une pluralité de canaux dont les parois sont absorbantes.
(b) Le cas échéant on répète l’étape (a) afin de construire une pluralité des blocs modulaires, le au moins un bloc modulaire constituant un adsorbant, avec lequel on forme un dispositif de traitement de gaz polluant.
(c) On dispose le dispositif de gaz polluant dans le banc de test de telle sorte que le flux de gaz qui est déplacé par la turbine à gaz en fonctionnement et qui circule jusqu’à la cheminée d’échappement est apte à s’écouler dans les canaux.
[0027] Par exemple, à l’étape (b), l’adsorbant est constitué d’une pluralité des blocs qui sont disposés dans un plan transversal perpendiculaire à la direction d’écoulement dans les blocs pour former une couche, cette disposition étant répétée pour former une pluralité de ces couches, les couches étant alignées dans la direction d’écoulement pour former l’adsorbant.
[0028] 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 :
[0029] [Fig. 1] La figure 1 est une vue en perspective d’un banc de test de turbine à gaz selon l’invention.
[0030] [Fig. 2] La figure 2 est une vue en perspective d’un banc de test de turbine à gaz selon un autre mode de réalisation de l’invention.
[0031] [Fig. 3] La figure 3 est une vue en perspective d’un banc de test de turbine à gaz selon encore un autre mode de réalisation de l’invention.
[0032] [Fig. 4] La figure 4 est, en (A) une vue en perspective de la structure de l’adsorbant ; en (B) une vue en perspective d’un bloc de l’adsorbant ; et en (C) une illustration schématique du mécanisme d’adsorption dans un canal d’un bloc de l’adsorbant en perspective ; dans le dispositif de traitement de gaz d’un banc de test de turbine à gaz selon l’invention.
[0033] [Fig. 5] La figure 5 est, en (A) une vue en perspective d’un autre mode de réalisation d’un bloc de l’adsorbant ; et en (B) une vue transversale d’encore un autre mode de réalisation d’un bloc de l’adsorbant ; dans le dispositif de traitement de gaz d’un banc de test de turbine à gaz selon l’invention.
[0034] [Fig. 6] La figure 6 est une illustration d’une portion d’une variante d’un mode de réalisation d’un bloc de l’adsorbant de la figure 4(B).
[0035] [Fig. 7] La figure 7 est, en (A), une illustration d’une portion d’encore un autre mode de réalisation d’un bloc de l’adsorbant ; et en (B) une illustration d’une portion d’encore un autre mode de réalisation d’un bloc de l’adsorbant ; dans le dispositif de traitement de gaz d’un banc de test de turbine à gaz selon l’invention.
[0036] [Fig. 8] La figure 8, déjà décrite, est une vue en perspective d’un banc d’essai de turbomachine selon l’art antérieur.
[0037] [Fig. 9] La figure 9, déjà décrite, est vue de côté de la partie amont du banc d’essai de turbomachine de la figure 8.
Description détaillée de l’invention
[0038] 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 le banc de test, dans la turbine à gaz et dans le conduit d’échappement pendant un fonctionnement normal de l’invention.
[0039] L’invention est décrite ci-dessous dans le cas où la turbine à gaz est une turbomachine et où le banc de test est un banc d’essai, mais s’applique à toute turbine à gaz et à tout type de test. 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.
[0040] 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 d’essai 82 et une cheminée d’échappement 83. L’air pénètre dans la salle d’essai 82 par la cheminée d’admission 81 verticale qui est ouverte sur l’extérieur à son entrée. La salle d’essai 82 comprend une turbomachine 90 qui est monté sur une balance de poussée 91 et qui est destinée à être testée.
[0041] En fonctionnement de la turbomachine 90 (c’est-à-dire durant une période où la turbomachine est en marche (par exemple cette période correspond au temps d’un test)), on distingue trois flux d’air qui circulent dans la salle d’essai 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 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.
[0042] 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 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 ou juste au-dessus (à la sortie aval) de la cheminée d’échappement sur le trajet du flux de gaz déplacé en aval de la turbomachine 90, comme illustré en figure 1. Cette capture du gaz carbonique s’effectue durant le passage du flux de gaz déplacé dans le dispositif de traitement 70. De manière non limitative, le temps de cette capture correspond au temps de fonctionnement de la turbomachine 90 pendant un test de cette turbomachine 90. Alternativement, le temps de cette capture est légèrement supérieur à ce temps de fonctionnement.
[0043] Alternativement, comme illustré en figure 2, le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique comporte un conduit qui est relié en amont à la sortie de la cheminée d’échappement 83, et qui comporte l’adsorbant 71 à son extrémité aval. Le flux de gaz déplacé passe donc dans ce conduit en sortant de la cheminée d’échappement 83 puis traverse l’adsorbant 71. L’adsorbant 71 repose sur le sol, ce qui facilite son assemblage et son inclusion dans le dispositif de traitement 70. Le flux de gaz traverse l’adsorbant 71 selon une direction essentiellement horizontale.
[0044] Le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique, qui est situé en aval de la turbomachine 90 sur le trajet du flux de gaz déplacé par cette turbomachine 90, constitue un premier dispositif de traitement qui fait partie du banc de test 80. En effet, le banc de test 80 peut comprendre un ou plusieurs autres dispositifs de traitement, appelé second dispositif de traitement 60, qui est situé en amont de la turbomachine 90. Ce second dispositif de traitement 60 sera décrit ci-après.
[0045] Selon l’invention, le (premier) dispositif de traitement 70 de gaz carbonique comporte un absorbant 71 solide qui est destiné à capturer les molécules de gaz carbonique. Ce dispositif de traitement 70 de gaz carbonique est illustré en figure 1 et en figure 2. L’adsorbant 71 solide est constitué d’un bloc 72 modulaire, ou d’une pluralité de blocs 72 modulaires, dont un est illustré. L’invention est décrite ci- dessous dans le cas où l’adsorbant solide est constitué d’une pluralité de blocs 72. Ces blocs 72 sont joints entre eux par leurs faces latérales. Les blocs 72 s’étendent donc tous selon la même direction longitudinale. Cette direction longitudinale est sensiblement la direction selon laquelle le flux de gaz déplacé traverse les blocs 72. En figures 4(A) et 4(B), chaque bloc 72 est de section rectangulaire (par exemple carrée) de telle sorte que les blocs 72 sont tous jointifs (c’est-à-dire qu’il n’existe pas d’espace entre deux blocs 72 adjacents quelconques). Les blocs 72 peuvent avoir des sections d’autres géométries pour lesquelles l’assemblage est optimal : section hexagonale, section triangulaire, section avec des parois concaves et convexes qui s’épousent. Chaque bloc 72 présente une pluralité de canaux 73 dont les parois sont adsorbantes et dans lesquels le flux de gaz déplacé est apte à s’écouler. Chaque bloc 72 est divisé en canaux 73 par les parois de ces canaux 73 de telle sorte qu’il n’existe pas d’espace entre ces canaux 73.
[0046] La figure 4(A) illustre le dispositif de traitement 70 de gaz carbonique selon l’invention, l’adsorbant 71 solide et les blocs 72 qui le composent. Par exemple l’adsorbant 71 a une forme parallélépipédique et est constitué des blocs 72 parallélépipédiques accolés par leurs faces latérales et disposés dans un même plan. Les blocs 72 forment donc une couche unique. La figure 4(B) montre un bloc 72 isolé, avec les canaux 73 qui le traversent depuis une face jusqu’à la face opposée. La figure 4(B) illustre également le phénomène d’adsorption, dans lequel les molécules de gaz carbonique (schématisées par des particules noires) qui sont présentent dans le flux aval sont adsorbées dans les surfaces des parois des canaux 73. Ainsi, le gaz qui ressort de l’adsorbant 71 en aval comprend essentiellement des molécules autres que le gaz carbonique (ces molécules sont schématisées par des particules blanches).
[0047] On définit la courbe centrale d’un canal 73 comme la ligne passant par les centres des sections transversales de ce canal 73 (une section transversale est perpendiculaire à la direction longitudinale de ce canal qui est la direction selon laquelle il s’étend). Dans le cas général, ces courbes centrales sont incurvées. On définit alors l’axe principal A d’un canal 73 comme la tangente à la courbe centrale du canal 73 à l’extrémité amont du canal 73. Par exemple, les canaux 73 sont rectilignes. Dans ce cas, la courbe centrale d’un canal 73 est une droite qui est confondue avec l’axe principal A du canal 73, que l’on appelle droite centrale.
[0048] Par exemple, les deux courbes centrales de deux canaux 73 quelconques sont parallèles, c’est-à-dire que toute normale à l'une de ces courbes centrales est une normale à l'autre de ces courbes centrales. On parle alors de canaux 73 parallèles. Dans le cas où les canaux 73 sont rectilignes, cela signifie que les droites centrales des canaux 73 sont toutes parallèles.
[0049] Avantageusement, l’axe principal A de chaque canal 73 est orienté selon la direction d’écoulement du flux de gaz déplacé. Cette situation est représentée en figure 4(B) et en figure 4(C), où la direction d’écoulement du flux de gaz déplacé est représentée par des flèches. [0050] Chaque canal 73 présente une section transversale. Par exemple la section transversale est polygonale, c’est-à-dire que cette section est formée par un polygone. Par exemple ce polygone est un carré, un rectangle, ou un triangle. Alternativement la section transversale est curviligne, c’est-à-dire que la section est formée par une courbe sans point angulaire. Par exemple, cette courbe est une ellipse ou un cercle. Alternativement, la section transversale est formée constitué par une partie curviligne et une partie polygonale ou rectiligne. Par exemple, la section transversale est formée par un segment rectiligne et une courbe qui prolonge ce segment en deux points angulaires. Cette variante est illustrée en figure 4(B) et en figure 4(C) dans le cas où cette courbe est une arche sensiblement sinusoïdale.
[0051] Avantageusement, les blocs 72 sont constitués de substrats (74, 75) conformés en canaux 73 et d’un matériau adsorbant 76 poreux qui recouvre ces substrats (74, 75). Par exemple, ces substrats (74, 75) sont métalliques. Par exemple ces substrats (74, 75) sont fabriqués à partir de feuilles métalliques. Ce métal est par exemple de l’acier ou un alliage de FeCrAI.
[0052] Par exemple, les substrats métalliques sont constitués de premières feuilles planes ou courbes 74 et de secondes feuilles ondulées 75 qui sont empilées alternativement et en contacts ponctuels de telle sorte que chaque seconde feuille 75 est prise en sandwich entre deux premières feuilles 74. Ainsi, chaque canal 73 est délimité par une portion de première feuille 74 et par une arche d’une seconde feuille 75 qui touche la première feuille 74 le long de deux lignes parallèles à l’axe principal A du canal 73.
[0053] Selon un mode de réalisation illustré en figure 4(B) et en figure 4(C), chaque bloc 72 est un tube de section rectangulaire, par exemple de section carrée, les premières feuilles 74 de ce bloc 72 sont planes, chaque seconde feuille 75 ondulée étant prise en sandwich entre deux premières feuilles 74 et en contact ponctuels avec elles. La figure 4(C) illustre également le phénomène d’adsorption dans un canal 73, dans lequel les molécules de gaz carbonique (particules noires) qui sont présentent dans le flux aval sont adsorbés dans le matériau adsorbant 76 qui recouvre la première feuille 74 et la seconde feuille 75. La première feuille 74 et la seconde feuille 75 recouvertes de matériau adsorbant 76 forment ainsi les parois du canal 73. Ainsi, le gaz qui ressort de l’adsorbant 71 en aval comprend essentiellement des molécules (particules blanches) autres que le gaz carbonique. Le plan transversal P montre en transparence le matériau absorbant 76 qui recouvre la première feuille 74 et la seconde feuille 75.
[0054] Selon un autre mode de réalisation illustré en figure 5(A), chaque bloc 72 est un tube et les premières feuilles 74 du bloc 72 sont conformées en tubes coaxiaux avec ce tube. Chaque seconde feuille 75 s’étant en ondulant entre deux premières feuilles 74 sur une circonférence complète. Ainsi une première feuille 74 et une seconde feuille 75 en contact ponctuel avec cette première feuille 74 forme des canaux 73.
[0055] Selon un autre mode de réalisation, chaque bloc 72 est un tube et entoure une première feuille unique 74 qui est conformée en spirale. Une seconde feuille unique 75 s’étend en ondulant entre les couches de cette première feuille 74. Ainsi cette première feuille 74 et cette seconde feuille 75 forme des canaux 73 disjoints.
[0056] Selon encore un autre mode de réalisation illustré en figure 5(B), chaque bloc 72 est un tube et entoure les premières feuilles 74 qui sont conformées en spirales qui forment des S. Chaque seconde feuille 75 s’étant en ondulant entre deux premières feuilles 74. Une portion d’une seconde feuille 75 est illustrée. La figure 5(B) est une vue du bloc 72 dans un plan transversal de telle sorte que l’axe principal A (représenté par un point noir) est perpendiculaire au plan de la page. Ainsi une première feuille 74 et une seconde feuille 75 en contact avec cette première feuille 74 forme des canaux 73 disjoints.
[0057] Avantageusement, les parois des canaux 73 présentent des reliefs 77 qui génèrent des turbulences dans le flux de gaz qui circule dans ces canaux 73. En conséquence, l’adsorption du gaz carbonique dans les canaux 73 est plus efficace. Par exemple, les premières feuilles 74 et/ou les secondes feuilles 75 présentent des reliefs 77. La figure 6 illustre un exemple de ces reliefs. Les secondes feuilles 75 présentent des ondulations sensiblement sinusoïdales dans la direction de l’axe principal A de chaque canal 73 sur toute la longueur de chaque canal 73. Ces ondulations constituent donc ces reliefs 77. Les première feuilles 74 ne présentent pas d’ondulations. Alternativement, les premières feuilles 74 présentent des ondulations, par exemple identiques aux ondulations des secondes feuilles 75. En figure 6 il est également illustré un élargissement de la portion d’un canal 73 entourée par un cercle en pointillés (dans un plan transversal perpendiculaire à l’axe principal A). Cet élargissement montre le dépôt de matériau adsorbant 76 sur la première feuille 74 et sur la seconde feuille 75.
[0058] Selon d’autres modes de réalisation de l’invention, les substrats métalliques sont constitués de premières feuilles ondulées 74 et de secondes feuilles ondulées 75 qui sont empilées alternativement et en contacts ponctuels de telle sorte que chaque seconde feuille 75 est prise en sandwich entre deux premières feuilles 74. Ces modes de réalisation sont moins coûteux que les modes de réalisation avec des feuilles 75 plates car toutes les feuilles 74 et 75 sont identiques. En outre, la perte de charge au travers des canaux 73 est réduite.
[0059] Dans un premier de ces autres modes de réalisation, illustré en figure 7(A), en perspective les premières feuilles ondulées 74 et les secondes feuilles ondulées 75 sont identiques et sont ondulées à la fois dans le sens transversal (perpendiculaire à l’axe principal A) et le long de l’axe principal A de chaque canal 73. Ainsi, chaque canal 73 est ondulé dans la direction de son axe principal A. Chaque canal 73 présente donc une courbe centrale qui est ondulée dans la direction de son axe principal A.
[0060] Dans un deuxième de ces autres modes de réalisation, illustré en figure 7(B) en vue de dessus, les premières feuilles ondulées 74 et les secondes feuilles ondulées 75 sont identiques. Chaque feuille (74, 75) est ondulée dans son plan principal seulement dans le sens transversal et forme donc des passages parallèles rectilignes. L’axe principal de chacun des canaux d’une première feuille 74 est orienté selon un premier axe principal A1 et l’axe principal de chacun des canaux d’une seconde feuille est orienté selon un second axe principal A2. Les plans principaux des premières feuilles 74 et secondes feuilles 75 sont parallèles à un plan P, perpendiculaire au plan de la figure 7(B). Les premières feuilles 74 sont décalées dans leur plan principal par rapport aux secondes feuilles 75 d’un angle 0 faible, par exemple compris entre 2° et 10°. Cette variante présente l’avantage d’introduire de la turbulence dans le flux circulant dans les canaux 73 et donc de favoriser l’adsorption. [0061] Avantageusement, l’épaisseur des feuilles métalliques (74, 75) est inférieure à 100 microns, ce qui augmente le rapport de la surface ouverte du bloc 72 sur sa surface totale de sa section transversale. La surface ouverte d’un bloc 72 est définie comme la surface sans matière dans une section transversale de ce bloc 72. Par exemple cette épaisseur est inférieure à 50 microns. Par exemple, cette épaisseur est comprise entre 20 microns et 30 microns.
[0062] Pour augmenter la capacité d’adsorption de l’adsorbant 71 , on peut augmenter le nombre de canaux 73 dans un bloc 72 de section transversale donnée. Par exemple, la densité de canaux 73 est supérieure à 155 canaux/cm2 (1000 canaux/in2 (canaux par pouce carré)), par exemple supérieure à 190 canaux/cm2 (1200 canaux/in2), par exemple supérieure à 250 canaux/cm2 (1600 canaux/in2).
[0063] Avantageusement, le matériau adsorbant 76 des blocs 72 est un matériau poreux qui est un réseau métallo-organique (en anglais « metal-organic framework » ou MOF). Ces matériaux présentent une structure covalente à cristaux hybrides micro-poreux ou méso-poreaux ordonnées qui sont créées à partir de la réaction entre des molécules organiques et des ions métalliques. Ces structures sont ultraporeuses (porosité élevée supérieure à 1000 m2 par gramme), ce qui leur permet de stocker une quantité plus importante de gaz que des solides poreux classiques dont la porosité est plus faible.
[0064] Par exemple, ce matériau adsorbant 76 est de la classe des SIFSIX ou est de la classe des MOF-74.
[0065] La couche de matériau adsorbant 76 a une épaisseur comprise entre 5 et 30 microns, par exemple entre 10 et 20 microns.
[0066] Les premiers avantages du bloc d’adsorbant 72 de l’invention lorsque les parois des blocs 72 sont constitués de substrats métalliques (74, 75) recouverts d’un matériau adsorbant 76 poreux sont apportés par ce matériau adsorbant 76, qui présente
- une rapidité d’adsorption du gaz carbonique entre 5 et 30 fois plus rapide que la zéolite 13X, permettant un rendement de captation élevé même avec des vitesses de gaz élevés et une longueur de bloc 72 plus courte,
- une capacité de stockage de gaz carbonique au moins égale à celle de la zéolite 13X et qui reste élevée même à haute température (>65°C),
- une sélectivité gaz carbonique/eau améliorée, notamment dans le cas de l’utilisation d’un matériau de la classe des MOF-74.
[0067] Ces premiers avantages sont une réduction à la fois de la surface transversale d’un bloc 72 (notamment en raison d’une vitesse de gaz plus élevées) et de sa longueur longitudinale (selon son axe principal A) en raison de la capacité de stockage élevée du matériau retenu, une stabilité dans les performances de capture après plusieurs cycles d’adsorption/désorption, une énergie de régénération qui reste deux fois moins importante que pour un procédé d’absorption par amine en solution aqueuse.
[0068] Les deuxièmes avantages du bloc d’adsorbant 72 de l’invention sont apportés par la nature du substrat (74, 75) et sont les suivants :
- le choix d’un substrat métallique sur lequel on vient déposer le matériau adsorbant 76, plutôt qu’un substrat en céramique ou encore qu’une matrice en matériau extrudé ou imprimé 3D, permet de réduire considérablement les épaisseurs de parois à quelques dizaines de microns contre plusieurs centaines de microns. En réduisant ainsi les épaisseurs de matériau entre les canaux 73 d’un bloc 72, on peut, pour une densité de canaux 73 donnée, augmenter la surface ouverte d’un bloc 72 au-delà de 70%, par exemple jusqu’à 90% de la surface d’une section transversale totale du bloc 72. Il en résulte une réduction, pour une même taille de bloc 72, de la résistance au flux de gaz.
- en outre la réduction de l’épaisseur du substrat permet un dépôt de matériaux d’une épaisseur de quelques dizaines de microns pour assurer une capacité de rétention du gaz carbonique plus importante, toujours avec une perte de charge et un volume du bloc 72 acceptables.
- le substrat métallique a d’une part une capacité thermique spécifique plus faible que d’autres matériaux ce qui permet de ne pas emmagasiner la chaleur émise lors de l’adsorption de gaz, et d’autre part une conductivité thermique plus élevée ce qui permet de chauffer rapidement lors de la désorption par exemple. Au contraire, un substrat céramique ne peut pas supporter un chauffage rapide et peut se fissurer.
[0069] Les troisièmes avantages du bloc d’adsorbant 72 de l’invention sont apportés par la structure de ce bloc 72. En effet, l’utilisation de feuilles ondulées 75 de faibles épaisseurs permet d’augmenter significativement le nombre de canaux (jusqu’à 190 canaux/cm2 ou davantage contre 100 canaux/cm2 typiquement pour des blocs en céramique), ce qui augmente significativement la surface d’adsorption d’un canal 73, ce qui augmente d’autant la capacité de rétention du gaz carbonique pour un même volume d’un bloc 72.
[0070] Selon une variante illustrée en figure 3, le banc d’essai 80 comporte un second dispositif de traitement 60 de gaz carbonique qui est situé en amont de la turbomachine 90. Par exemple ce second dispositif de traitement 60 est situé à l’extrémité amont de la cheminée d’admission 81 . Par exemple, alternativement ou en complément, ce second dispositif de traitement 60 est situé entre la cheminée d’admission 81 et la salle d’essai 82. Dans ce cas, ce second dispositif de traitement 60 peut être situé en amont et/ou en aval de baffles acoustiques (non représentées) qui sont situées dans la salle d’essai 82 en amont de la turbomachine 90. Ce second dispositif de traitement 60 contribue à dépolluer le flux de gaz avant son entrée dans la turbomachine 90.
[0071] Etant donné que la turbomachine 90, durant son fonctionnement, génère un flux de gaz dans le bâtiment 88, un système d’aspiration supplémentaire, distinct de la turbomachine, n’est pas nécessaire. Cependant, en variante, le bâtiment 88 comporte un système d’aspiration supplémentaire qui contribue à faire circuler ce flux de gaz.
[0072] L’invention concerne également un procédé de réalisation d’un banc de test 80 de turbine à gaz 90 qui comprend un bâtiment 88 tel que décrit ci-dessus, ce procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) on construit un bloc 72 modulaire qui présente une pluralité de canaux 73 dont les parois sont adsorbantes.
(b) Le cas échéant on répète l’étape (a) afin de construire une pluralité des blocs 72 modulaires, le ou les blocs 72 modulaires constituant un adsorbant 71 , avec lequel on forme un dispositif de traitement 70 de gaz polluant.
(c) On dispose le dispositif 70 de gaz polluant dans le banc de test 80 de telle sorte que le flux de gaz qui est déplacé par ladite turbine à gaz 90 en fonctionnement et qui circule jusqu’à la cheminée d’échappement 83 est apte à s’écouler dans les canaux 73. [0073] Par exemple, à l’étape (a) comporte une étape (a1 ) où on dépose un matériau adsorbant 76 sur un substrat métallique (74, 75) et une étape (a2) où on conforme le substrat métallique (74, 75) pour former la pluralité de canaux. L’étape (a1 ) est effectuée avant ou après l’étape (a2). Avantageusement, dans tous les cas à l’étape (a), on utilise un support ou un guide grâce auquel on positionne les substrats métalliques (74, 75) afin de former un bloc 72. En effet, les substrats métalliques (74, 75) étant fins, ils sont fragiles et doivent être manipulés avec précaution.
[0074] Par exemple, le matériau adsorbant est déposé sur le substrat métallique (74, 75) par l’une des méthodes de revêtement suivantes, qui sont en particulier adaptées pour des dépôts dans des canaux de petite taille (inférieure au millimètre par exemple) sur une certaine longueur (par exemple plusieurs dizaines de centimètres) ce qui présente une difficulté :
[0075] Une première méthode est le « slurry coating » (appelé « méthode des bouillies »), qui consiste à déposer une suspension poudre/liant sur la pièce à traiter, en l’occurrence ici le substrat métallique, puis par un cycle thermique, à décomposer la bouillie et à faire diffuser l’élément déposé.
[0076] Une deuxième méthode est le dépôt Sol-Gel (abbréviation de solution- gélification) par dip-coating (trempage-tirage), qui est un procédé d’élaboration de matériaux permettant la synthèse de verres, de céramiques et de composés hybrides organo-minéraux, à partir de précurseurs en solution.
[0077] Une troisième méthode est l’électrophorèse cathodique, appelée également « cataphorèse », qui est un procédé de dépôt par voie électrochimique. Le substrat métallique à revêtir est immergé dans un bain de solution conducteur et aqueux et, sous l’effet d’un courant continu appliqué sur ce substrat, qui est conducteur et forme la cathode, une couche de solution organique est déposée sur le substrat.
[0078] Avantageusement, l’étape (a) présente une étape (a3) après l’étape (a1 ), ou plus généralement immédiatement avant l’étape (b), lors de laquelle on effectue un contrôle de l’uniformité de l’épaisseur du revêtement selon la future direction longitudinale, et si nécessaire on ajuste ce dépôt ou on le recommence afin d’obtenir une uniformité satisfaisante. [0079] En ce qui concerne l’étape (b), dans un mode de réalisation décrit ci-dessus, les blocs 72 sont assemblés par leurs parois latérales dans un même plan transversal pour former une couche de blocs 72, Cette couche constitue alors l’adsorbant 71 . [0080] Dans un autre mode de réalisation à l’étape (b), on forme plusieurs de ces couches puis on aligne ces couches selon la direction longitudinale afin de constituer l’adsorbant 71. Les parois des blocs 72 étant fines, ces blocs 72 sont fragiles et la manipulation de ces blocs 72 est délicate. Avantageusement, on utilise un support ou un guide grâce auquel on positionne les couches de blocs 72 afin de les aligner exactement et sans espaces entre ces couches. Ainsi, il est plus facile de construire un adsorbant 71 de plus grande longueur. Cette longueur peut atteindre plusieurs dizaines de centimètres, voire être supérieure à un mètre. Un renfort peut également être ajouté à ces blocs 72 afin de rigidifier l’adsorbant 71 et éviter qu’il se déforme.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Banc de test (80) de 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) de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment (88), une salle de test (82) contenant ladite turbine à gaz (90) destinée à être testée, et au moins un dispositif de traitement (70) de gaz polluant apte à traiter ledit flux de gaz qui est déplacé par ladite turbine à gaz (90) en fonctionnement et qui circule jusqu’à ladite cheminée d’échappement (83), ledit banc de test (80) étant caractérisé en ce que ledit dispositif de traitement (70) de gaz polluant comporte un adsorbant (71 ) solide qui est constitué d’au moins un bloc (72) modulaire présentant une pluralité de canaux (73) dont les parois sont adsorbantes et dans lesquels ledit flux de gaz déplacé est apte à s’écouler.
[Revendication 2] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon la revendication 1 tel que ledit au moins un bloc (72) est constitué de substrats métalliques (74, 75) conformés pour former lesdits canaux (73) et d’un matériau adsorbant (76) poreux qui recouvre lesdits substrats (74, 75).
[Revendication 3] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon la revendication 2 tel que ledit matériau adsorbant (76) est un réseau métallo-organique.
[Revendication 4] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 tel que au moins deux desdits canaux (73) sont parallèles et tel que leur axe principal A est orienté, à l’extrémité amont desdits canaux (73), selon la direction d’écoulement du flux de gaz déplacé.
[Revendication 5] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 tel que chacun desdits canaux (73) a une section transversale choisie parmi une section polygonale et une section curviligne.
[Revendication 6] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 tel que la surface de la section ouverte dudit au moins un bloc (72) est supérieure ou égale à 70% de la surface de la section transversale totale dudit au moins un bloc (72).
[Revendication 7] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 tel que ledit dispositif de traitement (70) comporte un conduit qui est relié à ladite cheminée d’échappement (83) en aval de ladite cheminée d’échappement (83) et tel que ledit adsorbant (71 ) repose directement sur le sol.
[Revendication 8] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 tel qu’il comporte un second dispositif de traitement (60) de gaz polluant qui est situé en amont de ladite turbine à gaz (90).
[Revendication 9] Banc de test (80) de turbine à gaz (90) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 tel qu’il est dépourvu d’un système d’aspiration dudit flux de gaz déplacé distinct de ladite turbine à gaz (90).
[Revendication 10] Procédé de réalisation d’un banc de test (80) de turbine à gaz (90) qui comprend 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) de gaz au niveau d’une seconde extrémité du bâtiment (88) et une salle de test (82) contenant ladite turbine à gaz (90) destinée à être testée, ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes :
(a) on construit un bloc (72) modulaire qui présente une pluralité de canaux (73) dont les parois sont adsorbantes.
(b) Le cas échéant on répète l’étape (a) afin de construire une pluralité desdits blocs (72) modulaires, ledit au moins un bloc (72) constituant un adsorbant (71 ), avec lequel on forme un dispositif de traitement (70) de gaz polluant.
(c) On dispose ledit dispositif (70) de gaz polluant dans ledit banc de test (80) de telle sorte que le flux de gaz qui est déplacé par ladite turbine à gaz (90) en fonctionnement et qui circule jusqu’à ladite cheminée d’échappement (83) est apte à s’écouler dans lesdits canaux (73).
[Revendication 11] Procédé selon la revendication 10 tel que, à l’étape (b), ledit adsorbant (71 ) est constitué d’une pluralité desdits blocs (72) qui sont disposés dans un plan transversal perpendiculaire à la direction d’écoulement dans lesdits blocs (72) pour former une couche, cette disposition étant répétée pour former une pluralité de couches, lesdites couches étant alignées dans ladite direction d’écoulement pour former ledit adsorbant (71 ).
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