LU83085A1 - Procede de production d'energie au depart de charbon et installation a cet effet - Google Patents

Description

La. 'MÎst-L -i i ’·. „'‘-fit : or. c ';.cxr:.s nn pu océlé amélioré de production d'énergie, en particulier d’énergie électrique, dans lequel la source énergétique est constituée par du charbon (houille). Elle s’étend également à une installation convenant pour la mise en oeuvre de ce procédé.

La tendance récente pour la production d’énergie électrique à l’échelle industrielle consiste « â utiliser du charbon dans des cycles thermiques ouverts ou fermés utilisant des turbines à gaz, par suite du bon rendement thermique de ces cycles. Cependant,le dépoussiérage des gaz à haute température, qui est I 1 j nécessaire pour éviter une usure trop rapide de la turbine, est apparu particulièrement difficile à réaliser de manière efficace.-En effet, les filtres que l’on peut utiliser sont rapidement détruits à haute température. On a donc proposé d’utiliser des cycles à air chauffé dans des lits fluidisés de combustible solide. Ces techniques ont cependant causé des difficultés par suite de risques de destruction rapide ces tubes se trouvant dans le lit fluidisé.

La présente invention vise à apporter des améliorations a un procédé de production d’énergie, en ", i particulier d’énergie électrique, évitant les inconvénients Γ des procédés de l’état de la technique, jt i Selon l’invention, du charbon oulvérisé subit

I , une pyrolyse à une température de l’ordre de 500 °C à1200°C

I

| dans un four de pyrolyse, suivie d’un fractionnement j, ‘ d’une phase solide constituée de particules de charbon I ayant l’aspect du coke et d’une phase volatile constituée ^ d’un mélange de gaz combustibles; apres condensation au roi:.s ί £ partielle des constituants liquéfiables de la phase volatile, t

If b les caz non condensés sont alimentés dans la chambre de

Ij. combustion d'une turbine a gaz pour y brûler avec de l'air provenant d'un compresseur en produisant des gaz de • combustion qui sont détendus dans la turbine après quoi les gaz d'échappement encore sous légère pression sont acheminés vers au moins une chambre de combustion à lit . j | fluidisé qui est également alimentée en particules de r charbon provenant du four de pyrolyse, avec apport d'air iî !| de combustion complémentaire en vue de provoquer une 11 ji combustion servant à chauffer de la vapeur destinée à i 3 I une turbine à vapeur, i I Les gaz d'échappement provenant de la turbine I l à gaz subissent donc une post-combustion dans la chambre il ji de combustion à lit fluidisé de manière analogue à la post- j| combustion des cycles combinés classiques au gaz naturel i 1 I ;i g par exemple.

g Dans le cas où l'on a recours à plus d'une • I; i i; i| chambre de combustion à lit fluidisé, lesdites chambres peuvent être disposées en série ou en oarallèle.

\i | Selon une variante opératoire particulièrement I avantageuse, de la vapeur d'eau est injectée dans le four ΐ || de pyrolyse pour produire une quantité complémentaire II; !, de gaz volatils qui s'ajoute aux gaz provenant de la pyrolyse à proprement parler, au départ des particules ce I carbone formées lors de la pyrolyse, selon la réaction : I C + h2o --=* CO + h2

Ipar une réaction dite d'hydropyrolyse.

Cette variante opératoire présente un intérêt certain car elle contribue à un apport énergétique g spécifique dans la turbine à gaz dont le rendement thermique est bien connu. Le recours à une réaction d'hydropyrolyse i j.

est particulièrement â re-’vvv-'a:'der lors de l'utilisation de charbon présentant une teneur faible en matières volatiles.

Une autre variante opératoire de l'invention consiste à,préchauffer l'air du compresseur de la turbine à gaz et/ou l'air injecté dans le lit fluidisé à l'aide des fumées provenant de la chambre de combustion à lit fluidisé, après chauffage de la vapeur destinée à entraîner la turbine à vapeur.

, Les constituants liquéfiables de la phase volatiles provenant du four de pyrolyse peuvent être, après condensation et séparation, utilisés dans le procédé de l'invention, par exemple en les injectant dans l'un des cycles de production de force motrice. Ces constituants liquéfiables sont cependant, de préférence, utilisés à d'autres fins, soit comme combustible, soit comme matières premières de synthèses organiques.

Selon l'invention, on peut transitoirement stocker les gaz combustibles non condensés et le carbone produit lors de la pyrolyse ou de l'hydre-pyrolyse en créant ainsi une centrale à charge variable en fonction des besoins énergétiques du moment.

De manière transitoire, selon l'invention, il peut être avantageux d'utiliser la turbine à gaz sans production de force motrice, les gaz d'échappement subissant alors au lieu d'une post-combustion, une combustion pratiquement totale dans la ou les chambres de combustion à lit fluidisé.

L'invention porte également sur une installation pour la mise en pratique du procédé décrit constitué par un four de pyrolyse alimenté par du charbon pulvérisé, „· Y " , . r„ r-"f l { '·- ·' ' , t v .4 - A - · * '-i .... i ,. .* · w· v - : *· f · - - ‘ i * ' "· ^ — £ de séparation dos particul es »5 s carbone ces ma si er es volatiles qui sont amenées par un ventilateur de circulation dans une installation de condensation permettant de séparer la fraction liquéfiable, une turbine à gaz alimentée par les gaz non condensables provenant de | l'installation de condensation et au moins une chambre de combustion à lit fluidisé alimentée par les gaz d'échappement de la turbine à gaz et par les particules de carbone provenant de la pyrolyse en-·produisant de la vapeur surchauffée destinée à entraîner une turbine à vapeur.

Des installations de stockage constituées par un gazomètre et par une chambre de stockage de matières ! solides permettent de stocker respectivement les gaz non ! condensables et les particules de carbone.

Avantageusement, le four de pyrolyse est ; équipé d'une alimentation de vapeur provenant d'une chaudière qui peut être celle du lit fluidisé) en vue de réaliser une réaction d'hydropyrolyse.

Les équipementscomplémentaires de l'installation sont bien connus de l'homme de l'art et ne nécessitent pas de description complémentaire.

Les principaux avantages et caractéristiques ce « l'invention sont essentiellement : ; S - l'utilisation d'un cycle combiné pour la combustion ; du charbon au départ d'une gazéification ou liquéfaction s , . -t .

paruelxe; , - la possibilité d'utiliser dans les meilleures conditions, \ c'est-à-dire dans un lit fluidisé, des résidus solides eu ^ charbon présentant l'aspect du coke ou semi-coke, en une i plusieurs étapes de combustion par le recours â une ou f j: plusieurs chambres ce combustion à lit fluidisé, disposées * ~ (an sSrip nn e»r, rcar-s 1 ' « · - possibilité de réaliser sous pression la combustion dans la ou lesdites chambres; - utilisation de la contre-pression et des gaz d'échappement de la turbine à gaz dans des conditions optimales lors de la post-combustion dans la ou les chambres à lit fluidisé; - flexibilité du procédé en fonction de la charge requise par stockage des gaz combustibles non condensés et/ou | - des particules de charbon et/ou utilisation de la turbine à gaz sans production de force motrice; ' - possibilité d'obtenir un préchauffage partiel de l'air après compression par passage à travers les fumées de la chaudière constituée par la ou les chambres de combustion ; à lit fluidisé; | [ - utilisation d'une turbine à gaz et d'une turbine à vapeur alimentées au départ d'un seul combustible (charbon) dans les conditions optimales pour chacune de ces unités de production de force motrice.

La force motrice est bien entendu avantageusement utilisée pour produire de l'énergie électrique à l'aide ' d'alternateurs selon les techniques classiques.

L'invention sera décrite plus en détail en référence â un mode d'exécution préféré de l'invention, donné uniquement à titre d'illustration sans caractère limitatif. La lecture de cette description permettra de déceler d'autres avantages et caractéristiques importants de l'invention.

La figure unique annexée représente un schéma d'une installation conforme à l'invention.

Dans un i'-uur dé py.r olyse τοχ “.an t le rep.- * »5 général 1, on injecte en 3 du charbon pulvérisé, un chauffage électrique 5 assurant la distillation sans air de ce charbon pulvérisé qui subit une pyrolyse de manière classique. Selon une variante particulièrement avantageuse de l'invention, de la vapeur provenant de la chaudière de l’installation (qui sera décrite ci-après),est également injectée dans la zone de chauffage électrique du four de pyrolyse* (repère 7 A) Ledit four de pyrolyse est équipé à sa partie supérieure d'un récupérateur 9. Au sommet du four de pyrolyse, on sépare d'une part des particules solides de carbone qui sont dépoussiérées dans un dépoussiëreur 11.

I D'autre part la fraction volatile circule par une pompe_ 13 vers une installation de condensation 15 équipée d'un serpentin de refroidissement 17. On prélève au bas de la tour de condensation une phase liquide tandis que les gaz non condensés après passage dans un dépoussiëreur 19 sont amenés vers une turbine à gaz 21.

En dérivation sur la ligne amenant les particules de carbone ayant l'aspect du coke ou semi-coke, on a prévu une unité de stockage 23 tandis qu'un gazomètre 25 permet de stocker les gaz non condensés.

La turbine â gaz comporte de manière classique un compresseur d'air 22.

. L'installation comporte également au moins une chambre de combustion è lit fluidisé portant le repère général 27 qui est alimentéepar les particules de carbone provenant du dépoussiëreur 11 et par les gaz d'échappement de la turbine à gaz 21. La (ou les) chambre ce combustion 27 constitue une chaudière alimentant de la vapeur surchauffée i à la sortie de la turbine â vapeur pour être injectée par ' la ligne 7 A dans, la chambre de pyrolyse.

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Avantageusement, les fumées de la chambre de I combustion 27 à lit fluidisé servent également à préchauffer ! l'air alimenté au compresseur 22/ le circuit de l'air étant i I schématisé par le serpentin 31.

! i Bien qu'on ait décrit une forme d'exécution i ** ; particulièrement préférée de l'invention illustrée par le Ü schéma en annexe, il doit être bien entendu que de ij * nombreuses variantes opératoires restent possibles.

3 « | Il a été indiqué notamment que l'injection de vapeur d'eau

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’j par la ligne 7 A dans la chambre de pyrolyse en vue de réaliser i une hydropyrolyse constitue une variante avantageuse de l'ir. ’ention mais qui n'est cependant pas obligatoire.

- De la même manière, la vapeur prélevée à la chaudière constituée par la chambre de combustion à lit fluidisé 27 peut, si l'on souhaite, provenir d'une autre source en fonction des disponibilités.

Des circulateurs complémentaires peuvent être i: également prévus dans le circuit tandis que le gazomètre 21 jj- et le stockage 23 peuvent être omis.

ï II est également possible de prévoir plusieurs l,

Ir | installations de combustion 27 en parallèle ou en séria aussi bien pour l'alimentation des gaz d'échappement provenant ! de la turbine à gaz 21 que des particules ce carbone provenant î | du dépoussiëreur 11.

Dans certains cas, la turbine à gaz 21 peut ne j pas produire de force motrice, sans modification des \ “ connexions.

\ . —ί | ! i - 9 - ; La force motrice obtenue aussi bien dans la 1 v turbine à gaz 21 que dans la turbine à vapeur 29 est j !j avantageusement utilisée pour entraîner un alternateur i I et l'énergie électrique produite peut être utilisées | \ . notamment pour réaliser le chauffage électricue du four j | de pyrolyse. Le recours à d'autres sources d'énergie pour I réaliser la pyrolyse est également possible. Le ï récupérateur 9 peut être également omis tandis que le 1 s 9.

| liquide prélevé au bas de la tour de condensation 15 I peut être utilisé soit dans l'installation décrite, l soit à d'autres usages, cette phase liquide étant % constituée essentiellement d'hydrocarbures pouvant j 3 trouver de nombreux débouchés.

•r! t II convient de noter qu'en fonction du '1 recours ou non à une hydropyrolyse, la fraction gazeuse i | alimentée à la turbine à gaz est constituée d'hydre- 'à y " carbures inférieurs avec des teneurs plus ou moins ‘t! I importantes en hydrogène et en oxyde de caroone, ce qui É _ I permet ce cnoisir les meilleures conditions opératoires I d'exploitation de l'installation de l'invention, en fonction i de la teneur en combustibles gazeux de charbon utilisé.

I Une variante d'exploitation intéressante de I l'invention est représentée schémat içuement par les traits i discontinus de la ligne 7E, qui peut être utilisée en I remplacement de la ligne 7A, ou conjointement avec celle-ci | arm d'utiliser la vapeur comme fluide du charbon pulvérisé.

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Claims (12)

1. Procédé améliore de production d'énergie, en particulier d’énergie électrique, dans lequel la source énergétique est constituée par du charbon, caractérisé en j "] ce que le charbon pulvérisé subit une pyrolyse à une I température de 500°C à 1200°C dans un four de pyx-olyse, 4 ! ;! ,;i suivie d'un fractionnement d'une phase solide constituée \\ !j de particules de charbon ayant l'aspect du cofce et d'une ! jj t il phase volatile constituée d'un mélange de gaz combustibles II * et en ce qu'après condensation au moins partielle des j constituants liquéfiables de la phase volatile, les gaz jj jj 4 non condensés sont alimentés dans la chambre de combustion £ $ I d'une turbine à gaz poury brûler avec de l'air provenant | d'un compresseur en produisant des gaz de combustion qui ! sont détendus dans la turbine après quoi les gaz P | d'échappement encore sous légère pression sont acheminés )! | vers au moins une chambre de combustion à lit fluidisé pi qui est également alimentée en particules de charbon ! j? provenant du four de pyrolyse, avec apport d'air de 1s “ combustion complémentaire en vue de provoquer une combustion *: servant à chauffer de la vapeur destinée à une turbine ?, ‘ à vat>e ur. \ ‘

2. Procédé selon la revendication 1 caractérise I en ce que de la vapeur d'eau est injectée dans le four ce ! pyrolyse pour produire une quantité complémenttaire de gaz 1. volatils qui s'ajoute aux gaz provenant de la pyrolyse â tic? IBent parler, au départ des particules de carbone formées lors de la pyrolyse.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 c&racféns | en ce qu'on a recours à plus d'une chambre de combustion j. à lit fluidisé qui sont disposées en série. k - 11 -

4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'on a recours à plus d'une chambre de combustion qui sont disposées en parallèle.

5. Procédé selon l'une quelconque des * revendication 1 à 4 caractérisé en ce que l'air destiné au compresseur de la turbine à gaz et/ou l'air injecté dans le lit fluidisé est préchauffé à l'aide des fumées provenant de la chambre de combustion à lit fluidisé, après chauffage de la vapeur destinée à entraîner la turbine à vapeur.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 5 caractérisé en ce que les gaz combustibles non condensés et le carbone produit lors de la pyrolyse ou de l'hydrolyse sont stockés transitoirement en créant une centrale à charge variable en fonction des besoins énergétiques dû moment.

7. Procédé selon l'une quelconque des' revendications 1 à 6 caractérise en ce que la turbine à gaz est utilisée transitoirement sans production de force motrice, les gaz d'échappement subissant une combustion pratiquement totale dans la ou les chambres * de combustion ä lit fluidisé.

8. Installation pour la mise en pratique du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce qu'elle est constituée par un four de pyrolyse alimenté par du charbon pulvérisé, eventuellerer- » - 12 - % équipé d'un récupérateur, un dispositif de séparation des particules de carbone des matières volatiles qui sont amenées par un ventilateur de circulation dans une installation de condensation permettant de séparer la fraction liquéfiable, une turbine à gaz alimentée u par les gaz non condensables provenant de l'installation de condensation et au moins une chambre de combustion à lit fluidisé alimentée par les gaz d'échappement de la turbine à gaz et par les particules de carbone provenant de la pyrolyse et produisant de la vapeur surchauffée qui est envoyée dans une turbine à vapeur.

9. Installation selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle comporte des installations de stockage constituées par un gazomètre et par une chambre de stockage de matières solides permettant de stocker transitoirement respectivement les gaz non condensables et les particules de carbone.

10. Installation selon la revendication " 8 ou 9 caractérisée en ce que le four de pyrolyse est équipé d'une alimentation de vapeur provenant d'une chaudière en vue de réaliser une réaction d'nydropyrolyse.

11. Installation selon la revendication 10 caractérisée en ce que l'alimentation en vapeur est réalisés dans le four de pyrolyse, au niveau de la zone de chauffage électrique de ce four.

12. Installation selon la revendication 10 ou 11 caractérisée en ce que l'alimentation en vapeur est utilisée comme fluide porteur du charbon pulvérisé.