FR2500217A1 - Installation comprenant un systeme de piles a combustible a haute temperature - Google Patents
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Abstract
INSTALLATION COMPRENANT UN SYSTEME DE PILES A COMBUSTIBLE A HAUTE TEMPERATURE. DANS L'INSTALLATION SELON LA PRESENTE INVENTION, UNE PILE A COMBUSTIBLE 10, 12 CONTENANT DU CARBONATE FONDU EST UTILISEE CONJOINTEMENT AVEC UNE INSTALLATION DE TRAITEMENT FOURNISSANT, A TITRE DE SOUS-PRODUIT DE L'HYDROGENE ET UN GAZ DE COMBUSTION CONTENANT DU GAZ CARBONIQUE. LE GAZ DE COMBUSTION EST AJOUTE A L'EFFLUENT DE LA CHAMBRE 10 D'ANODE ENVOYE A LA CHAMBRE 12 DE CATHODE, GRACE A QUOI ON OBTIENT UN EQUILIBRE EN GAZ CARBONIQUE DANS LE SYSTEME DE PILES A COMBUSTIBLE DANS LEQUEL L'HYDROGENE REAGIT EN TANT QUE COMBUSTIBLE DE PROCEDE.
Description
Installation comprenant un système de piles à combustible à haute température.
La présente invention concerne des piles à combustible contenant du carbonate fondu.
Les piles à combustible à haute température, et particulièrement celles utilisant comme électrolyte du carbonate fondu, exigent qu'on leur ajoute continuellement du gaz carbonique pour fonctionner efficacement. Une alimentation en gaz carbonique n'est pas un problème si un combustible contenant un hydrocarbure, comme par exemple le charbon ou des autres combustibles fossiles, doit être consommé, car il contient du carbone. Un exemple de système utilisant des combustibles fossiles dans un système de piles à combustible contenant du carbonate fondu, est décrit dans le brevet US n0 4 041 210.
Toutefois, si de l'hydrogène pur ou des courants d'hydrogène ne contenant que de faibles quantités de matière carbonée sont utilisés comme combustible pour de telles piles, il faut fournir le gaz carbonique à partir d'une source autre que le combustible. Il est souhaitable de disposer de systèmes utilisant des piles à combustible à haute température qui fonctionnent efficacement lorsque le combustible gazeux du procédé est riche en hydrogène.
Un objet de la présente invention est de fournir un système perfectionné de piles à combustible contenant du carbonate fondu, ce système permettant d'obtenir un équilibre du gaz carbonique même si le combustible du proche ne contient pas de matière carbonée en quantité suffisante.
La présente invention procure un système à base de piles à combustible utilisant un combustible gazeux qui est riche en hydrogène et pauvre en carbone, conjointement avec un gaz de combustion ou gaz de cheminée engendré à partir d'autres procédés industriels et contenant du gaz carbonique. De tels gaz de combustion ou gaz de cheminée sont classiques dans les installations de fabrication de produits chimiques telles que celles engagées dans la production d'éthylène ou de chlore et de soude caustique. Ces installations produisant du chlore
fournissent également comme sous-produits des courants riches
en hydrogène. Une simple combustion de cet hydrogène pour
obtenir de la chaleur ou de la vapeur d'eau destinées à un
procédé peut se révéler être une utilisation inefficace du
potentiel d'énergie.
fournissent également comme sous-produits des courants riches
en hydrogène. Une simple combustion de cet hydrogène pour
obtenir de la chaleur ou de la vapeur d'eau destinées à un
procédé peut se révéler être une utilisation inefficace du
potentiel d'énergie.
Conformément à un mode de réalisation préféré de
l'invention, un courant riche en hydrogène est amené juqu'aux anodes d'une pluralité de piles à combustible contenant du
carbonate fondu. L'effluent déchargé des anodes comprend une
certaine quantité d'hydrogène imbrûlé et de gaz carbonique
transférés de la cathode à l'anode par la réaction à l'intérieur
des piles à combustible. L'effluent d'anode est amené jusqu'à
un brûleur à combustion et est brûlé avec un oxydant sous
pression,par exemple de l'air. Après la combustion, un gaz de
combustion contenant du gaz carbonique est ajouté aux produits
de combustion. Le mélange obtenu est alors,soit chauffé dans un
gaz dans un échangeur de chaleur, soit amené directement à la
cathode de la pile à combustible.L'effluent de la cathode peut
être utilisé, comme il est bien connu, pour entraîner une
turbine à gaz. En outre, la force motrice de la turbine est
utilisée de préférence directement, par exemple par l'inter
médiaire d'arbres communs, pour entraîner des compresseurs en
vue de comprimer non seulement l'oxydant, mais également le
gaz de combustion.
l'invention, un courant riche en hydrogène est amené juqu'aux anodes d'une pluralité de piles à combustible contenant du
carbonate fondu. L'effluent déchargé des anodes comprend une
certaine quantité d'hydrogène imbrûlé et de gaz carbonique
transférés de la cathode à l'anode par la réaction à l'intérieur
des piles à combustible. L'effluent d'anode est amené jusqu'à
un brûleur à combustion et est brûlé avec un oxydant sous
pression,par exemple de l'air. Après la combustion, un gaz de
combustion contenant du gaz carbonique est ajouté aux produits
de combustion. Le mélange obtenu est alors,soit chauffé dans un
gaz dans un échangeur de chaleur, soit amené directement à la
cathode de la pile à combustible.L'effluent de la cathode peut
être utilisé, comme il est bien connu, pour entraîner une
turbine à gaz. En outre, la force motrice de la turbine est
utilisée de préférence directement, par exemple par l'inter
médiaire d'arbres communs, pour entraîner des compresseurs en
vue de comprimer non seulement l'oxydant, mais également le
gaz de combustion.
Le refroidissement de la pile à combustible,qui quiest le
siège d'une réaction électrochimique exothermique, est effectue
par l'intermédiaire d'une boucle de circulation qui chauffe
préalablement l'hydrogène envoyé aux anodes et qui fournit
également la chaleur pour un système de bas de procédé tel
qu'un appareil générateur de vapeur d'eau.
siège d'une réaction électrochimique exothermique, est effectue
par l'intermédiaire d'une boucle de circulation qui chauffe
préalablement l'hydrogène envoyé aux anodes et qui fournit
également la chaleur pour un système de bas de procédé tel
qu'un appareil générateur de vapeur d'eau.
bes avantages, la nature et les caractéristiques ad
ditionnelles de la présente invention apparaitront dans la
description donnée ci-après en référence aux dessins annexés,
sur lesquels
la figure 1 est une représentation schématique simplifiée
du fonctionnement de piles à combustible bien connues contenant
du carbonate fondu;
la figure 2 est une représentation schématique simplifiée d'un système de piles à combustible utilisant un hydrocarbure comme combustible dans le système de circulation entre l'anode et la cathode;
la figure 3 est une représentation schématique simplifiée d'un système de piles à combustible utilisant une régénération d'un hydrocarbure en amont de l'anode conjointement avec 1 'uti- lisation d'un courant de combustible riche en hydrogène;;
la figure 4 est une représentation schématique simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention utilisant un combustible de processus riche en hydrogène et un gaz de combustion contenant du gaz carbonique; et
la figure 5 est une représentation schématique d'un système similaire à celui de la figure 4, cette représentation schématique montrant des composants supplémentaires.
ditionnelles de la présente invention apparaitront dans la
description donnée ci-après en référence aux dessins annexés,
sur lesquels
la figure 1 est une représentation schématique simplifiée
du fonctionnement de piles à combustible bien connues contenant
du carbonate fondu;
la figure 2 est une représentation schématique simplifiée d'un système de piles à combustible utilisant un hydrocarbure comme combustible dans le système de circulation entre l'anode et la cathode;
la figure 3 est une représentation schématique simplifiée d'un système de piles à combustible utilisant une régénération d'un hydrocarbure en amont de l'anode conjointement avec 1 'uti- lisation d'un courant de combustible riche en hydrogène;;
la figure 4 est une représentation schématique simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention utilisant un combustible de processus riche en hydrogène et un gaz de combustion contenant du gaz carbonique; et
la figure 5 est une représentation schématique d'un système similaire à celui de la figure 4, cette représentation schématique montrant des composants supplémentaires.
Les piles à combustible contenant du carbonate fondu (MCFC) oxydent par voie électrochimique l'oxyde de carbone ou l'hydrogène, ou des melanges de ces deux gaz, à l'anode pour produire un courant électrique continu, des produits d'oxydation et de la chaleur. Pour utiliser des hydrocarbures comme combustible de processus, il faut transformer par réformage les hydrocarbures en gaz carbonique et en hydrogène pour un fonctionnement efficace de l'anode.
Pour que de telles piles présentent un fonctionnement approprié à la cathode, il faut une réaction de deux moles de gaz carbonique par mole d'oxygène ayant réagi à la cathode.
Les réactions à chaque demi-pile sont
Cathode
Cathode
Anode
Le gaz carbonique participe activement à l'oxydation électrochimique globale du combustible, mais sort inchangé à l'anode. Le gaz carbonique constitue donc un catalyseur pour la réaction globale consommant le combustible. Les piles à combustible contenant du carbonate fondu fonctionnent, de façon caractéristique comme des systèmes ouverts avec une addition continue de combustible et d'un oxydant1 tel que l'air, évacuant des quantités équivalentes de produits effluents. Bien que le gaz carbonique ne soit pas directement épuisé au cours des réactions de la pileil se mélange avec les produits d'échappement arrivant de la cathode et s'échappe de façon continue
en même temps que les autres produits de réaction.Si le gaz carbonique ainsi perdu n'est pas renouvelé, il n'est pas possible que les réactions appropriées de la pile continuent.
en même temps que les autres produits de réaction.Si le gaz carbonique ainsi perdu n'est pas renouvelé, il n'est pas possible que les réactions appropriées de la pile continuent.
L'échappement continu du gaz carbonique n'est pas un point important si le combustible du processus est riche en carbone. Ceci est le cas des combustibles tels que le gaz naturel, le pétrole, le charbon, et autres hydrocarbures. Les réactions de la pile produisent suffisamment de gaz carbonique pour compenser les pertes par échappement lorsque l'effluent provenant de l'anode circule jusqu a l'admission de la chambre de cathode. La circulation d'anode à cathode est caractéris- tique de la technique antérieure relative aux piles à combustible contenant du carbonate fondu, comme on peut le voir sur la figure 1. La pile représentée sur la figure 1 comprend une chambre 10 d'anode, une chambre 12 de cathode, un électrolyte 14 entre ces chambres, et un agencement de conduits 16 pour une recirculation entre l'anode et la cathode.Les produits provenant d'un hydrocarbure réformé, comme par exemple du gaz -naturel, sont amenés jusqu a la chambre 10 d'anode par l'intermédiaire d'un conduit 18 et réagissent à l'anode 20. Les produits recyclés qui se dégagent de l'anode sont amenés jusqu'à la chambre 12 de cathode et jusqu'à la cathode 22 en même temps qu'un oxydant, tel que de l'air, qui pénètre dans la chambre 12 de cathode par l'intermédiaire d'un conduit 24. Les produits s'échappant de la chambre de cathode par l'intermédiaire d'un conduit 26 se trouvent à une température relativement élevée et peuvent être utilisés dans un cycle de bas de procédé.
Les installations chimiques telles que celles engagées dans la production d'éthylène ou de chlore et de soude caustique à partir du sel entraînent souvent l'apparition de sous-produits sous la forme de courants d'hydrogène ou de courants riches en hydrogène. Ces courants sont, de façon caractéristique, brûlés pour fournir de la chaleur à des fins d'utilisation dans l'installation. Toutefois, cette combustion n'est pas une utilisation efficace de l'énergie disponible dans l'hydrogène.
Conformément à la présente invention, le gaz de combustion constituant un sous-produit d'un processus d'installation,par exemple un processus pour la fabrication de chlore par électrolyse, ce gaz contenant aussi du gaz carbonique, peut être utilisé dans un système d'installation de génération d'énergie pour produire à la fois de l'électricité et de la chaleur utile pour un procédé. Une description plus détaillée sera donnée à propos de la figure 4.
La figure 2 montre un système qui utilise la combustion d'un hydrocarbure dans la boucle de recirculation entre la chambre 10 d'anode et la chambre 12 de cathode, ainsi que de l'hydrogène dirigé vers l'anode. L'hydrogène formant le combustible du processus pénètre dans la chambre 10 d'anode par un conduit 28. Les produits de réaction déchargés de la chambre d'anode et qui peuvent comprendre de l'hydrogène non utilisé, s'écoulent par le conduit 3G jusqu'à un brûleur 32 pour combustion. Un oxydant sous pression, par exemple de l'air, est également amené jusqu'au brûleur par l'intermédiaire d'un conduit 34 de même qu'un hydrocarbure par l'intermédiaire d'un conduit 36. Les produits de cette combustion comprennent du gaz carbonique et de la vapeur d'eau déchargés par 1' intermé- diaire du conduit 38.Pour un fonctionnement correct, les produits de combustion du brûleur doivent pénétrer dans la chambre de cathode à une température d'environ 621 0C. Si la combustion seule ne fournit pas des températures suffisamment élevées, on fait passer les produits de combustion à travers un échangeur de chaleur avant de les introduire dans la chambre 12 de cathode. De plus, on introduit de l'air ou un autre oxydant dans le courant de produit de combustion immédiatement en amont de la cathode pour obtenir l'oxygène de la réaction électrochimique. L'effluent déchargé de la chambre de cathode peut être dirigé sur un cycle de bas de procédé. Si un échangeur de chaleur 40 est nécessaire, la chaleur d'entrée peut être obtenue à partir de la décharge de la chambre de cathode ou du cycle de bas de procédé.Le système de la figure 2 fournit donc un moyen pour maintenir un apport suffisant de gaz carbonique à la chambre de cathode dans un système de piles à combustible contenant du carbonate fondu e alimentees avec un combustible de proce riche en hydrogène.
La figure 3 montre un autre système dans lequel lthy- drogène déchargé d'un autre appareil de traitement chimique peut être utilisé efficacement dans un système de piles à combustible contenant du carbonate fondu. Un hydrocarbure s 'écoule à travers un conduit 42 jusqu'à un dispositif de reformage 44 qui décharge de l'hydrogène, du gaz carbonique, de la vapeur d'eau et de l'oxyde de carbone dans le conduit 46. L'hydrogène provenant de l'appareil 48 de mise en oeuvre de procédé, comme par exemple une installation pour la fabrication du chlore, est également acheminé jusqu'au conduit 46 et mélangé avec les produits du réformage. Le mélange peut alors être acheminé jusqu'à la chambre 10 d'anode du système de piles à combustible contenant du carbonate fondu.
Un autre système basé sur des piles à combustible et utilisant de l'hydrogène comme combustible de procéda ainsi que du gaz carbonique provenant du gaz de combustion formant le sous-produit d'une installation 48 de mise en oeuvre de procédé, est représenté sur la figure 4. L'hydrogène formant le combustible, par exemple tel que déchargé d'un appareil 48' d'une installation chimique ou de toute autre source d'hydrogène, s'écoule à travers un échangeur de chaleur 50 jusqu'à la chambre 10 d'anode. L'effluent s'échappant de l'anode est amené jusqu'au brûleur 32 où il réagit avec l'air provenant d'un compresseur 52 avant de traverser un échangeur de chaleur 40, si besoin est, et pénètre dans la chambre 12 de cathode.
De l'hydrogène supplémentaire peut aussi être brûle dans le brûleur 32 si on le désire pour régler des températures opératoires. La totalité ou une fraction de la décharge de la cathode peut être envoyée à un dispositif d'expansion 54 de bas de procédé. Le gaz de combustion ou gaz de cheminée contenant du gaz carbonique est mélangé avec 1 'effluent de combustion par l'intermédiaire d'un conduit 56 avant d'être introduit dans la chambre 12 de cathode.
Le système de piles à combustible peut aussi être pourvu d'une boucle de refroidissement 58 dans laquelle circule un agent fluide, tel qu'un gaz d'échappement de cathode, entre la pile électrique, l'échangeur de chaleur 50, un autre échangeur de chaleur 60, et un dispositif 62 de circulation.
La chaleur extraite de la pile à combustible peut être utilisée, comme représenté, pour chauffer préalablement l'hy- drogène avant son introduction dans la chambre d'anode. Une chaleur suffisante est encore disponible. par exemple. pour engendrer de la chaleur ou de la vapeur d'eau de procédé dans un échangeur de chaleur 60. On comprendra que la référence à une pile à combustible dans toute la description et les revendications annexées peut désigner un empilement constitué par un grand nombre de piles électriques reliées électriquement en série ou de toute autre manière, comme il est bien connu.
Un refroidissement peut etre dispensé à chaque pile individuelle de l'empilement ou, de préférence, un seul module de refroidissement peut etre disposé entre des ensembles de1 plusieurs piles constituant l'empilement. Dans le système de refroidissement représenté, une partie des gaz d'échappement de la cathode peut etre introduite dans la boucle de refroidissesent 58 et en être évacuée par l'intermédiaire des conduits 66 et 68.
La figure 5 montre un détail supplémentaire du système de la figure 4. La figure et les informations qui l'accompagnent sont basées sur une étude d'une installation de l'industrie chimique produisant du chlore et de la soude caustique à partir du sel à l'aide d'un procédé d'électrolyse. Les produits de base du procédé sont le chlore et une solution faible d'hydroxyde de sodium que l'on concentre par évaporation. L'installation comprend six courants parallèles. Comme il est évident, une quantité notable d'énergie sous la forme d'électricité est nécessaire pour faire se dérouler le processus d'électrolyse. De plus, une quantité notable d'énergie sous la forme d'un combustible, tel que du gaz naturel ou de 1 'huile combustible, est utilisée pour produire de la vapeur d'eau en vue du processus d'évaporation. L'hydrogène est évacué en tant que sous-produit du procédé. L'énergie totale absorbée par l'installation est d'environ 192 mégawatts dont une partie relativement faible est utilisée pour entraîner les appareils de soutien tels que les pompes et les compresseurs. La majeure partie de l'énergie, environ 169 megawatts, est utilisée pour entraîner les redresseurs qui produisent le courant électrique continu concernant les six courants. Grâce à l'utilsation de l'hydrogène déchargé à partir des six courants, cela conjointement avec un empilement 70 de 2 électriques contenant du carbonate fondu, on peut récupérer environ 25 mégawatts d'électricité en courant continu et environ 50 736 kg de vapeur d'eau par heure.
Le gaz de combustion qui sort des chaudières de l'installation provient de la combustipn du gaz naturel dans l'air en excès et comprend un mélange de gaz carbonique, de vapeur d'eau, d'azote, et une petite quantité d'oxygène en excès. Le gaz de combustion pénétrant dans le système par le conduit 72 contient environ 72% d'azote, 8% de gaz carbonique, 16% de vapeur d'eau, et 3% d'oxygène. Le gaz de combustion peut aussi contenir des contaminants de la pile a combustible, tels que le soufre du gaz naturel que l'on peut éliminer à l'aide de technique d'épuration bien connue avant son introduction dans le conduit 72. La majeure partie du gaz de combustion, comprenant l'azote, traverse simplement le système sous la forme d'un diluant pour les autres réactifs.Les lettres A et
F de la figure 5 correspondent à la composition du gaz en divers points du système identifiés sur la tableau I. Les lettres G à HH correspondent aux points d1état et à l'écou- lement massique identifié dans le tableau 2.
F de la figure 5 correspondent à la composition du gaz en divers points du système identifiés sur la tableau I. Les lettres G à HH correspondent aux points d1état et à l'écou- lement massique identifié dans le tableau 2.
TABLEAU I
Poids
H20 O2 N H2 CO CO moléculaire
Air 0;016 0,204 0,780 -- -- -- 28,6665
A 0Z4595 -- -- 0,0811 0,4595 -- 28,6615
B 0,4581 010051 0,1501 -- 0 > 3868 -- 29,6405
C 0#1825 0;;0559 0,6935 -- 00682 -- 27,5022
D 0,1879 0,0476 0,7143 -- 0,0502 -- 27,1275
E 0,161 0,032 0,726 -- 0,081 -- 27,8269
(gaz de combustion)
F 0.1134 0,0885 0 > 7437 -- 0,0544 -- 28 > 1027
TABLEAU Il
Poids
H20 O2 N H2 CO CO moléculaire
Air 0;016 0,204 0,780 -- -- -- 28,6665
A 0Z4595 -- -- 0,0811 0,4595 -- 28,6615
B 0,4581 010051 0,1501 -- 0 > 3868 -- 29,6405
C 0#1825 0;;0559 0,6935 -- 00682 -- 27,5022
D 0,1879 0,0476 0,7143 -- 0,0502 -- 27,1275
E 0,161 0,032 0,726 -- 0,081 -- 27,8269
(gaz de combustion)
F 0.1134 0,0885 0 > 7437 -- 0,0544 -- 28 > 1027
TABLEAU Il
<SEP> DEBIT <SEP> MASSIQUE <SEP> TEMPERATURE <SEP> PRESSION <SEP> ABSOLUE
<tb> EMPLACEMENT <SEP> (lb/hr) <SEP> (kg/h) <SEP> ( <SEP> F) <SEP> <SEP> C <SEP> C <SEP> (PSIA)
<tb> <SEP> G <SEP> 398,606 <SEP> 180808 <SEP> 400 <SEP> 204,4 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4.103 <SEP>
<tb> <SEP> H <SEP> 200,910 <SEP> 91133 <SEP> 77 <SEP> 25,0 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4.103 <SEP>
<tb> <SEP> I <SEP> 599,516 <SEP> 271940 <SEP> 299 <SEP> 148,0 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4.103
<tb> <SEP> J <SEP> 616 <SEP> 324,0 <SEP> 43,5 <SEP> 299,9.103 <SEP>
<tb> <SEP> K <SEP> 375 <SEP> 190,5 <SEP> 43,5 <SEP> 299,9.103
<tb> <SEP> L <SEP> 775 <SEP> 412,7 <SEP> 150,1 <SEP> 1034,9.103 <SEP>
<tb> <SEP> M <SEP> 2,301,033 <SEP> 1043749 <SEP> 1150 <SEP> 621,0 <SEP> 150,1 <SEP> 1034,9.103 <SEP>
<tb> <SEP> N <SEP> 3,848 <SEP> 1745 <SEP> 201 <SEP> 93,8 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4 <SEP> 103 <SEP>
<tb> <SEP> P <SEP> 981 <SEP> 527,3 <SEP> 153,0 <SEP> 1054,9.103 <SEP>
<tb> <SEP> Q <SEP> 1150 <SEP> 621,0 <SEP> 150,1 <SEP> 1034,9.10# <SEP>
<tb> <SEP> R <SEP> 101,230 <SEP> 45917 <SEP> 1250 <SEP> 676,7
<tb> <SEP> S <SEP> 124,370 <SEP> 56414 <SEP> 1834 <SEP> 002,0 <SEP>
<tb> <SEP> T <SEP> 112,423 <SEP> 50995 <SEP> 230 <SEP> 110,0 <SEP> 20,8 <SEP> 143,4.103 <SEP>
<tb> <SEP> U <SEP> <SEP> 46,597 <SEP> 21136 <SEP> 358 <SEP> 181,1 <SEP> 150,1 <SEP> 1034,9.10# <SEP>
<tb> <SEP> V <SEP> 65,827 <SEP> 29859 <SEP> 358 <SEP> 181,1 <SEP> SAT. <SEP> SAT.
<tb>
<tb> EMPLACEMENT <SEP> (lb/hr) <SEP> (kg/h) <SEP> ( <SEP> F) <SEP> <SEP> C <SEP> C <SEP> (PSIA)
<tb> <SEP> G <SEP> 398,606 <SEP> 180808 <SEP> 400 <SEP> 204,4 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4.103 <SEP>
<tb> <SEP> H <SEP> 200,910 <SEP> 91133 <SEP> 77 <SEP> 25,0 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4.103 <SEP>
<tb> <SEP> I <SEP> 599,516 <SEP> 271940 <SEP> 299 <SEP> 148,0 <SEP> 14,7 <SEP> 101,4.103
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<tb>
<SEP> W <SEP> 44,955 <SEP> 20391 <SEP> 358 <SEP> 181,1 <SEP> 150,1 <SEP> 1034,9.10 <SEP>
<tb> <SEP> 3
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<tb> <SEP> HH <SEP> 626,504 <SEP> 284182 <SEP> 1247 <SEP> 659,3
<tb>
Le gaz de combustion pénétrant dans le conduit 72 et l'air s'écoulant aux conditions ambiantes par le conduit 74 sont mélangés dans le conduit 76. Le mélange est ensuite comprimé dans un compresseur 78 qui fonctionne avec un rendement de 0,8 et avec une consommation d'énergie de- 14,828 mégawatts. Le mélange comprime s 'écoule alors à travers le conduit 80 jusqu'à un échangeur de chaleur 82 et à travers cet échangeur de chaleur, avant une deuxième phase de compression dans le compresseur 84.L'énergie transférée dans 1' échan- geur de chaleur 82, ctest-à-dire environ 11,376 mégawatts, est suffisante pour fournir la vapeur d'eau destinée à être utilisée dans le procédé au point W. Le mélange gazeux comprimé est dirigé à partir du compresseur 84, qui consomme 19,042 mégawatts d'énergie et fonctionne avec un rendement de 0,8, vers la chambre 12 de cathode par l'intermédiaire des conduits 86 et 88.
<tb> <SEP> 3
<tb> <SEP> X <SEP> 20,872 <SEP> 9468 <SEP> 358 <SEP> 181,1 <SEP> 150,1 <SEP> 1034,9.103 <SEP>
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<tb> <SEP> EE <SEP> 1,577,147 <SEP> 715394 <SEP> 1247 <SEP> 675,1
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<tb>
Le gaz de combustion pénétrant dans le conduit 72 et l'air s'écoulant aux conditions ambiantes par le conduit 74 sont mélangés dans le conduit 76. Le mélange est ensuite comprimé dans un compresseur 78 qui fonctionne avec un rendement de 0,8 et avec une consommation d'énergie de- 14,828 mégawatts. Le mélange comprime s 'écoule alors à travers le conduit 80 jusqu'à un échangeur de chaleur 82 et à travers cet échangeur de chaleur, avant une deuxième phase de compression dans le compresseur 84.L'énergie transférée dans 1' échan- geur de chaleur 82, ctest-à-dire environ 11,376 mégawatts, est suffisante pour fournir la vapeur d'eau destinée à être utilisée dans le procédé au point W. Le mélange gazeux comprimé est dirigé à partir du compresseur 84, qui consomme 19,042 mégawatts d'énergie et fonctionne avec un rendement de 0,8, vers la chambre 12 de cathode par l'intermédiaire des conduits 86 et 88.
L'hydrogène, purifié do contaminantatel que le chlore, pénètre dans un compresseur 90 qui est entraîné par un moteur électrique 92. L'hydrogène peut provenir des procédés mis en oeuvre suivant l'installation de production de chlore, ou bien de toute autre source. Le moteur 92 fonctionne avec un rendement d'environ 0,9, en consommant 3,397 mégawatts, et le compresseur fonctionne avec un rendement d'environ 0,8.
L'hydrogène comprimé s'écoule à travers le conduit 94 jusqu'à un échangeur de chaleur 96 où il atteint une température d'environ 6210C avant de pénétrer dans la chambre 10 d'anode.
Après la réaction électrochimique se produisant dans l'empilement 70 de piles à combustible, l'effluent d'anode, comprenant une certaine quantité d'hydrogène n'ayant pas réagi, du gaz carbonique et de la vapeur d'eau, passe à travers le circulateur 98 qui consomme environ 0,130 mégawatts et parvient au brûleur 32. Le brûleur est également alimente en air qui est comprimé dans un compresseur 52 fonctionnant avec un rendement d'environ 0,8 et utilisant 1,034 mégawatts d'énergie. Les produits de la combustion dans le brûleur 32 s'écoulent à travers le conduit 100 de manière à être mélangés avec le gaz de combustion comprimé s'écoulant dans le conduit 88.
Le mélange dans le conduit 88, mélange qui comprend les produits de décharge de cathode recyclés provenant du conduit 102, s'écoule jusque dans la chambre 12 de cathode.
Les produits cathodiques de la réaction électrochimique déchargés à une température d'environ 677 0C s'écoulent à travers l'échangeur de chaleur 96 en état d'échange thermique avec le combustible de procédé qui est formé par l'hydrogène et qui est dirigé vers l'anode. La décharge depuis la chambre de cathode et I'échangeur de chaleur 96, décharge qui transfère environ 0,672 mégawatt d'énergie, est scindée de manière qu'une première partie s'écoule à travers un conduit 102 jusqu a un autre échangeur de chaleur 104 et à travers cet échangeur, puis un circulateur 106 consommant environ 1,184 mégawatt d'énergie, et est recyclée dans la chambre de cathode.
L'échangeur de chaleur 104 transfère environ 5,282 mégawatts d'energie, ce qui est suffisant pour engendrer la vapeur d'eau du procédé en vue d'une évaporation ou de tout autre beso-in de l'installation chimique.
Une seconde partie de l'effluent de cathode s'écoule à travers le conduit 108 jusqu'au dispositif d'expansion 54 en engendrant environ 35,030 mégawatts d'énergie et en fonctionnant avec un rendement de 0,87. Le dispositif d'expansion 54 entraîne directement par l'intermédiaire d'arbres 110, 112, 114, qui peuvent ne former qu'un seul arbre commun, les compresseurs 52, 84, 78. La décharge à partir du dispositif d'expansion traverse le conduit 116 jusqu a l'échangeur de chaleur 118 où 16,160 mégawatts d'énergie thermique sont transférés à un condensat. Après cet échange thermique, la seconde partie des produits de cathode peut être évacuée de l'installation utilisés de toute autre manière. Le condensat provenant du processus chimique s1 écoule à travers une pompe 120 jusqu'à l'échangeur de chaleur 118.L'échange thermique est suffisant pour engendrer une première partie de la vapeur d'eau du procédé à travers le conduit 122 et une seconde partie d'eau saturée à travers unconduit 124. L'eau saturée est en outre divisée en deux parties, dont la première traverse un échangeur de chaleur 104 et la seconde traverse l'échangeur de chaleur 82, ces deux parties étant ensuite utilisées comme vapeur pour le procédé.
L'empilement 70 de piles à combustible comprenant une pluralité de piles à combustible reliées mutuellement engendre 29,580 megawatts d'énergie électrique brute sous 450 volts et sous
la forme d'un courant continu évacué par exemple, par l'intermédiaire du conducteur 71. La quantité nette d'électricité engendrée par l'empilement 70 de piles à combustible est suffisante pour le procédé d'électrolyse d'un ou des six courants de l'installation de production de chlore. En outre, environ 50 736 kg par heure de vapeur d'eau sont engendrés pour le procédé de fabrication de chlore quienoxige 165 345 kg par heure.
la forme d'un courant continu évacué par exemple, par l'intermédiaire du conducteur 71. La quantité nette d'électricité engendrée par l'empilement 70 de piles à combustible est suffisante pour le procédé d'électrolyse d'un ou des six courants de l'installation de production de chlore. En outre, environ 50 736 kg par heure de vapeur d'eau sont engendrés pour le procédé de fabrication de chlore quienoxige 165 345 kg par heure.
Avec le système représenté sur la figure 5, une utilisation d'énergie extrêmement efficace est possible. Le débit d'hydrogène de 1 753 kg par heure vers la pile à combustible est équivalent à une énergie d'entrée de 68,759 megawatts basée sur la valeur de chauffage plus élevée de l'hydrogène. L'énergie engendrée est de 64,610 mégawatts, y compris 29,5 me'gawatts de I'empilement de piles à combustible contenant du carbonate fondu, et 35,03 mégawatts au dispositif d'expansion 54 de la turbine à gaz qui entraîne les compresseurs.Les entrées d'énergie comprennent 3,397 mégawatts pour le moteur électrique 92, 1,034 me'gawatt pour le compresseur 52 fournissant l'air de combustion, 33,870 megawatts pour la compression dans les deux étages des compresseurs 78 et 84, 1,184 me'gawatt pour le dispositif 106 de recirculation de gaz de cathode, 0,130 me'gawatt pour le dispositif 98 de recirculation de gaz d'anode, et 0,160 mégawatt pour le dispositif auxiliaire. Les besoins totaux en énergie sont de 39,775 mégawatts, ce qui donne une quantité nette d'énergie de 25,835 mégawatts. Le rendement de production d'énergie électrique correspondante à la sortie nette de l'électricité est de 36,1 Z. De plus, 32,818 mégawatts d'énergie sous forme thermique sont obtenus pour la vapeur d'eau utilisée dans le procédé sous des conditions de tempé 2 rature de 181tu et de pression absolue de 6,50 kg/cm
L'utilisation totale d'énergie plus l'électricité représentent donc 83,8%. On comprendra que le système décrit présente certaines pertes réelles pendant le fonctionnement et demande de l'énergie pour le traitement préalable de l'hydrogène.
L'utilisation totale d'énergie plus l'électricité représentent donc 83,8%. On comprendra que le système décrit présente certaines pertes réelles pendant le fonctionnement et demande de l'énergie pour le traitement préalable de l'hydrogène.
Toutefois, on peut s'attendre à une utilisation totale réelle de l'énergie extrêmement élevez.
Claims (5)
1. Installation caractérisée par le fait qu'elle comprend : un appareil pour engendrer en tant que sousproduit un gaz de combustion ou gaz de cheminée contenant du gaz carbonique; une source d'hydrogène; une pile à combustible contenant du carbonate fondu et comprenant une chambre d'anode, une chambre de cathode et un électrolyte disposé entre ces chambres; un moyen pour acheminer ledit hydrogène depuis ladite source jusqu'à ladite chambre d'anode; un appareil de combustion; un moyen pour acheminer l'effluent de ladite chambre d'anode jusqu'audit appareil de combustion; un moyen pour acheminer l'oxydant jusqu'audit appareil de combustion; un moyen pour mélanger l'effluent dudit appareil de combustion avec ledit gaz de combustion contenant du gaz carbonique; un moyen pour acheminer l'effluent et le gaz de combustion mélangé jusqu'à ladite chambre de cathode; un dispositif d'expansion; et un moyen pour diriger au moins une partie de 1'effluent depuis ladite chambre de cathode jusqu'au dit dispositif d'expansion.
2. Instaflation selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit appareil engendre également,en tant que sous-produit, de l'hydrogène de manière à servir de source d'hydrogène, ledit hydrogène étant acheminé depuis ledit appareil jusqu'à ladite chambre d'anode.
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en outre, un échangeur de chaleur effectuant un échange thermique entre ledit hydrogène en tant que sous-produit et ledit effluent de ladite chambre de cathode.
4. Installation suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait qu'elle comprend, en outre, un moyen pour refroidir ladite pile à combustible contenant du carbonate fondu, ce moyen comprenant une boucle de circulation comportant un premier échangeur de chaleur effectuant un échange thermique entre un fluide refroidissement et ledit hydrogène en tant que sous-produit, un second échangeur de chaleur effectuant un échange thermique entre ledit fluide de refroidissement et un fluide de procédé, et un dispositif de circulation pour faire circuler ledit fluide de refroidissement de manière qu'il quitte la pile à combustible, traverse lesdits premier et second échangeurs de chaleur et revienne à ladite pile à combustible.
5. Installation suiant l'une quelconque des revendications 2, 3 ou 4, caractérisée par le fait qu'il comprend, en outre, un moyen pour comprimer ledit gaz de combustion avant de le mélanger avec ledit effluent de l'appareil de combustion, et un moyen pour comprimer ledit oxydant, ledit moyen de compression d'oxydant et ledit moyen de compression de gaz de combustion étant entraînés directement par le dispositif d'expansion précité.
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|---|---|---|---|
| US23428181A | 1981-02-13 | 1981-02-13 |
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ID=22880712
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- 1981-10-12 FR FR8119193A patent/FR2500217A1/fr active Pending
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