WO1991005946A1 - Turbine a gaz isotherme a oxydation partielle catalytique (tgiop) - Google Patents

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WO1991005946A1 PCT/BE1990/000054 BE9000054W WO9105946A1 WO 1991005946 A1 WO1991005946 A1 WO 1991005946A1 BE 9000054 W BE9000054 W BE 9000054W WO 9105946 A1 WO9105946 A1 WO 9105946A1
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combustion
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Jacques Ribesse
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Catalysts And Chemicals Europe S.A.
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • F02C3/16—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/003—Gas-turbine plants with heaters between turbine stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
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    • F23R3/40—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means
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    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • the invention relates to an assembly consisting of a gas turbine, an air compressor and a catalytic partial oxidation reactor which, supplied with air by the air compressor and with fuels such as natural gas, products tankers, etc. produces a combustible gas at high temperature and under pressure which is then expanded in the gas turbine; this drives the air compressor and an electricity generator.
  • the blades are optionally cooled by means of compressed air, this air being introduced inside the turbine and causing the partial or total combustion of the gas, while maintaining a high temperature while along the relaxation of it.
  • the known assemblies include the same elements: expansion turbine, air compressor, electric generator, but one or more combustion chambers generate the hot gases under pressure in place of the catalytic partial oxidation reactor according to the present invention.
  • Compressed air and combustible fluid flow rates are adjusted to ensure large excess combustion air in the combustion chamber, this in order to limit the temperature of the burnt gases to a level low enough to ensure the good behavior of the materials constituting the expansion turbine, and this taking into account any internal cooling of these materials.
  • the maximum gas temperature between 900 and 1200 ° C, requires an amount of air at least three times greater than the amount of air strictly necessary for combustion.
  • FR-A-B87975 from PIASCHINENFABRIK AUGSBURG-NURENBERG propose to reduce the excess of overall air by injecting additional fuel at several points on the expansion turbine, to possibly achieve isothermal expansion.
  • AKTIENGESELLSHAFT relates to a special and original application of gas turbine intended for the valuation of carbon monoxide and oxygen; the process involves the use of several compressors of burnt gas C02 and of oxygen, of a unit for the partial combustion of C0 with oxygen, of an isothermal expansion turbine comprising the internal injection of complementary oxygen and an adiabatic expansion turbine.
  • This system performs partial oxidation of carbon monoxide with oxygen.
  • the process is very complex by the number of machines and inefficient taking into account the high number of compression operations (C02, 02, etc.)
  • the present invention tends to eliminate or reduce the drawbacks mentioned above.
  • the partial oxidation reaction is usefully carried out in the presence of a catalyst in a fixed bed reactor.
  • the use of the catalytic partial oxidation reaction process according to the invention presents the following advantages, for identical pressures and temperatures at the inlet of the expansion turbine:
  • gases from the partial oxidation reactor and therefore from the turbine are combustible gases, available at high temperature.
  • Their combustion in industrial ovens and boilers provides flame temperatures much higher than 1200 ° C and therefore makes it possible to recover this energy at high temperature, which is not possible with known gas turbines.
  • the method may include cooling the blades of the turbine with air, as is the case for known gas turbines; however, the gas circulating in the invented turbine being a flammable mixture rich in carbon monoxide and in hydrogen, there is a partial internal controlled combustion of this gas with the possibility of achieving an isothermal expansion more effective than the well known adiabatic expansion, both in terms of energy conversion and in terms of exploiting the potential energy of the gases leaving the turbine.
  • Figure 1 is a schematic view of a gas turbine according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a high temperature energy-heat cogeneration system according to the invention.
  • the isothermal partial oxidation gas turbine shown in FIG. 1 comprises an air compressor (1) into which the filtered air is sucked in (2).
  • This compressor is provided with rotary blades (3) on the shaft (16) and fixed blades (3 ') fixed to the wall of the compressor.
  • the compressed air leaves the compressor in (4), from where it is transferred to the catalytic partial oxidation reactor (5).
  • the hydrocarbon fuel is brought through the pipe (B) and its flow rate regulated by the valve (7) towards the reactor (5), where it mixes in (8).
  • the exothermic partial oxidation reaction takes place in the reactor (9) provided with walls of refractory steel or ceramic.
  • the reactor is packed with reforming catalysts (10) ensuring a rapid and controlled reaction.
  • Water vapor is introduced into the mixer (B) through the conduit (21) in order to avoid the formation of soot during the oxidation reaction.
  • reaction gases leave the reactor (5) via the insulated pipe and are injected into the expansion turbine (12).
  • This consists of the rotor (16), fixed vanes (14) and movable vanes (13).
  • These fixed and mobile blades are, in the case of use of high temperatures, air-cooled in the case of turbines of specific construction or steam in the case of conventional turbines converted to partial oxidation.
  • the air or the cooling vapor of the blades is introduced inside the turbine through the orifices (19).
  • the cooling air reacts with the hydrogen and the carbon monoxide contained in the gases of the turbine and thus causes a partial combustion of these gases, compensating for the drop in temperature caused by the expansion on each stage.
  • the expanded gases leave the expansion turbine (12) through the conduit (15).
  • These gases have a calorific potential which can be significant and are usefully consumed, after combustion, in an external thermal oven (oven or industrial boiler) to enhance both their calorific value and their enthalpy.
  • Table 1 comparison of the performance of the isothermal catalytic partial oxidation gas turbine with known gas turbines.
  • FIG. 2 illustrates the diagram for recovering the residual energy of the gas at the outlet of the turbine according to the invention in an industrial oven or a boiler.
  • the turbine according to the invention is shown in (1).
  • the fuel is injected there through the conduit (2).
  • the turbine generates mechanical or electrical energy in the machine (3).
  • the gas leaving the turbine through the conduit (4) has a high potential energy content consisting of its e ⁇ thalpie (800-1000 ° C) and its calorific value.
  • This gas is burned in the oven (6) at the burners (5).
  • the combustion temperature of the gases can reach 1,200 to 1,600 ° C, which makes it possible to use the catalytic partial oxidation gas turbine as an energy source for many thermal applications.
  • Another example of application of the turbine according to the invention is its adaptation to power stations with conventional steam cycle in order to increase their power and their energy efficiency.
  • Table 2 shows what can be expected as an improvement to a conventional thermal power plant (net electricity conversion efficiency: 40%) by inserting either a gas turbine according to the invention or a conventional gas turbine. Table 2.
  • This table shows the obvious superiority of the gas turbine according to the invention over a known gas turbine in the case of the improvement of existing conventional thermal units.
  • the turbine according to the invention operating at 55 bar - 1300 ° C allows a direct yield of conversion of $ 42 and a combined gas / steam cycle efficiency of 61% compared to 52 for the best known cycles under similar thermal conditions.

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Abstract

La turbine à gaz suivant l'invention comporte un compresseur d'air (1), un réacteur d'oxydation partielle catalytique (5) d'hydrocarbure (6) et une turbine de détente (12). On procède à la combustion partielle ou totale du gaz combustible transitant dans la turbine de détente par injection d'air dans les aubes en assurant simultanément leur refroidissement et une détente isothermique. La transformation de turbines à gaz classique en turbines à gaz à oxydation est possible. La valorisation du rejet thermique de la turbine permet la cogénération de chaleur à température élevée.

Description

TURBINE A GAZ ISOTHERME A OXYDATION PARTIELLE CATALYTIQUE (TGIOP)
1. Domaine technique
L'invention concerne un ensemble constitué d'une turbine à gaz, d'un compresseur d'air et d'un réacteur à oxydation partielle catalytique qui, alimenté en air par le compresseur d'air et en combustibles tels que gaz naturel, produits pétroliers, etc.. produit un gaz combustible à haute température et sous pression qui est ensuite détendu dans la turbine à gaz; celle-ci entraîne le compresseur d'air et un générateur d'électricité. Dans la turbine de détente selon l'invention, les aubes sont éventuellement refroidies au moyen d'air comprimé, cet air étant introduit à l'intérieur de la turbine et provoquant la combustion partielle ou totale du gaz, tout en maintenant une température élevée tout au long de la détente de celui-ci.
2. Techniques antérieures
Les ensembles connus comportent les mêmes éléments : turbine de détente, compresseur d'air, générateur électrique, mais une ou plusieurs chambres de combustion génèrent les gaz chauds sous pression en lieu et place du réacteur d'oxydation partielle catalytique selon la présente invention.
Les débits d'air comprimé et de fluide combustible sont réglés de manière à assurer une combustion avec large excès d'air dans la chambre de combustion, ceci afin de limiter la température des gaz brûlés à un niveau suffisamment bas pour assurer la bonne tenue des matériaux constitutifs de la turbine de détente, et ceci en tenant compte du refroidissement éventuel interne de ces matériaux. La température maximale des gaz, comprise entre 900 et 1200°C, nécessite une quantité d'air au moins trois fois supérieure à la quantité d'air strictement nécessaire à la combustion.
Cet excès d'air important est particulièrement désavantageux, car il nécessite la mise en oeuvre de compresseurs puissants qui absorbent une part importante de l'énergie livrée par la turbine de détente, soit environ les deux tiers. Le rendement de conversion est donc limité.
De plus, pour une puissance donnée de la turbine, l'on véhicule de très importantes quantités d'air et de gaz brûlé, ce qui impose des investissements importants en machines, en filtres, en collecteurs, etc ...
Les gaz brûlés résultant de la combustion avec large excès d'air sortent de la turbine à gaz à une température relativement faible, soit environ 500°C, de sorte que leur chaleur sensible ne peut être utilisée que dans un nombre restreint d'applications thermiques : production de vapeur à moyenne pression, séchage, ou autres applications à faible température.
Divers procédés destinés à améliorer les performances des turbines à gaz classiques ont fait, dans le passé, l'objet de brevets :
a. Le brevet GB-A-523184 de G. JENDRASSIK a pour but de limiter l'excès d'air en prolongeant la combustion depuis la chambre de combustion jusqu'à l'intérieur de la turbine de détente, cette combustion retardée étant obtenue par des dispositifs de mélange partiels décrits dans le brevet. Lors de la détente, la combustion se poursuit et assure le maintien d'une température élevée dans la turbine de détente.
La réalisation des objectifs recherchés par ce brevet n'est toutefois pas réalisable, pour les raisons suivantes :
- les suies produites au sein de flammes de diffusion de grande longueur, même lorsque le gaz combustible est du gaz naturel, endommagent les aubes fixes et rotatives de la turbine lors de leur combustion.
- Le manque d'homogénéité de température dans le corps de détente provoque des surchauffes locales inadmissibles pour les matériaux.
- La turbulence créée par la rotation des aubes de la turbine de détente accélère fortement le mélange comburant-carburant et donc la combustion à l'entrée de la turbine, ce qui va à l'encontre du résultat souhaité, à savoir un retard bien distribué de la combustion durant toute la détente.
Ce procédé n'est donc pas réalisable en pratique et ne permet pas d'obtenir un gaz de composition stable et homogène à l'entrée de la turbine de détente.
b. D'autres brevets
US-A-4197700 de CE. JAHNIG
GB-A-759251 de Karl LEIST
FR-A-B87975 de PIASCHINENFABRIK AUGSBURG-NURENBERG proposent de diminuer l'excès d'air global en injectant un complément de combustible en plusieurs points de la turbine de détente, pour réaliser éventuellement une détente isothermique.
Toutefois la combustion complète de gaz combustibles additionnels au sein d'une turbine de détente est une opération difficile, vu la faible température et la présence de gaz brûlés.
Ces procédés nécessitent un système complexe de distribution du combustible additionnel si l'on veut obtenir une répartition homogène et éviter toute surchauffe locale; d'autre part il faut pouvoir contrôler l'autoallumage, particulièrement difficile lors du démarrage ou en cas de charge partielle; l'un des brevets cités (US-A-4197700) propose d'ailleurs l'utilisation d'éléments catalytiques dans le corps de la turbine pour assurer la combustion du combustible supplémentaire injecté, tenant compte de la température modérée de l'ambiance.
c. Le brevet DE-A-3413241 de B.B.C. AKTIENGESELLSHAFT concerne une application spéciale et originale de turbine à gaz destinée à la valorisation d'oxyde de carbone et d'oxygène; le procédé comporte l'utilisation de plusieurs compresseurs de gaz brûlés C02 et d'oxygène, d'une unité de combustion partielle du C0 à l'oxygène, d'une turbine d'expansion isothermique comportant l'injection interne d'oxygène complémentaire et d'une turbine d'expansion adiabatique.
Ce système pratique l'oxydation partielle à l'oxygène de l'oxyde de carbone.
Le procédé est très complexe par le nombre de machines et peu efficace tenant compte du nombre élevé des opérations de compression (C02, 02, etc..)
d. Enfin on peut citer le procédé US-A-431641 de A.J. PIADGAVKAR destiné à valoriser des gaz résiduaires à faible pouvoir calorifique par combustion sous-stoechiométrique du gaz en présence de catalyseur d'oxydation et en injectant de l'arsenic dans le but de réduire fortement la présence d'oxyde de carbone dans les gaz brûlés.
Bien qu'applicable aux turbines à gaz, ce procédé prévu pour brûler des gaz pauvres, ne procure pas d'amélioration aux systèmes connus et émet à l'atmosphère des éléments arsénieux polluants.
3. Exposé de l'invention
La présente invention tend à supprimer ou à réduire les inconvénients mentionnés ci-dessus. A cet effet, dans la turbine à gaz à oxydation partielle catalytique, les chambres de combustion des turbines à gaz classiques sont remplacées par un réacteur adiabatique d'oxydation catalytique dans lequel l'on réalise la réaction CnHm + (n/2) 02 = nCO + m/2 H2.
Cette réaction exothermique permet d'alimenter la turbine avec un volume de gaz de qualité constante nettement plus élevé que celui obtenu par la combustion classique avec excès d'air, et ce à température égale et avec une consommation identique en air; le rapport volumétrique gaz/air est en effet compris entre 1.5 et 1.7 au lieu de 1.03 pour une turbine classique.
La réaction d'oxydation partielle se réalise utilement en présence de catalyseur dans un réacteur à lit fixe. L'utilisation du processus de réaction d'oxydation partielle catalytique suivant l'invention présente les avantages suivants, pour des pressions et températures identiques à l'entrée de la turbine de détente :
- réduction importante du débit d'air à comprimer, ce qui permet d'utiliser un compresseur plus petit et moins puissant, que dans le cas des turbines antérieurement connues, avec amélioration du rendement énergétique et de la puissance spécifique
- les gaz issus du réacteur d'oxydation partielle et donc de la turbine, sont des gaz combustibles, disponibles à température élevée. Leur combustion dans des fours et chaudières industrielles procure des températures de flamme très suppérieures à 1200°C et permet donc de valoriser cette énergie à haute température, ce qui n'est pas possible avec les turbines à gaz connues.
Enfin, le procédé peut comporter le refroidissement des aubes de la turbine avec de l'air, comme c'est le cas pour les turbines à gaz connues; toutefois, le gaz circulant dans la turbine inventée étant un mélange inflammable riche en oxyde de carbone et en hydrogène, il se produit une combustion contrôlée partielle interne de ce gaz avec la possibilité de réaliser une détente isothermique plus efficace que la détente adiabatique bien connue, tant sur le plan de la conversion énergétique que sur le plan de la valorisation de l'énergie potentielle des gaz sortants de la turbine.
Les particularités et détails de l'invention apparaissent au cours de la description suivante de formes particulière de réalisation de la turbine à gaz à oxydation partielle catalytique suivant l'invention. 4. Description
La figure 1 est une vue schématique d'une turbine à gaz suivant l'invention.
La figure 2 montre, schématiquement, un système de cogeneration énergie-chaleur à haute température suivant l'invention.
La turbine à gaz isothermique à oxydation partielle représentée à la figure 1 comprend un compresseur d'air (1 ) dans lequel l'air filtré est aspiré en (2). Ce compresseur est muni d'aubes rotatives (3) sur l'arbre (16) et d'aubes fixes (3') fixées à la paroi du compresseur. L'air comprimé quitte le compresseur en (4), d'où il est transféré au réacteur d'oxydation partielle catalytique (5). Le combustible hydrocarboπé est amené par le conduit (B) et son débit réglé par la vanne (7) vers le réacteur (5), où il se mélange en (8). La réaction d'oxydation partielle exothermique se produit dans le réacteur (9) muni de parois en acier réfractaire ou en céramique.
Le réacteur est garni de catalyseurs de reforming (10) assurant une réaction rapide et contrôlée.
De la vapeur d'eau est introduite dans le mélangeur (B) par le conduit (21) dans le but d'éviter la formation de suies en cours de réaction d'oxydation.
Les réactions qui se produisent dans le réacteur sont, dans le cas d'utilisation de gaz naturel, assimilé au méthane :
CH4 + 1/2 02 = C0 + 2 H2 CH4 + 2 02 = C02 + 2 H20 CH4 + H20 = C0 + 3 H2. Les proportions des trois fluides gaz naturel-air-vapeur sont réglées avec précision pour obtenir de manière stable les températures et compositions chimiques requises.
Les gaz de réaction quittent le réacteur (5) par le conduit isolé et sont injectés à la turbine de détente (12). Celle-ci est composée du rotor (16), d'aubes fixes (14) et d'aubes mobiles (13). Ces aubes fixes et mobiles sont, en cas d'utilisation de températures élevées, refroidies à l'air dans le cas de turbines de construction spécifique ou à la vapeur dans le cas de turbines classiques converties à l'oxydation partielle.
L'air ou la vapeur de refroidissement des aubes sont introduits à l'intérieur de la turbine par les orifices (19). L'air de refroidissement entre en réaction avec l'hydrogène et l'oxyde de carbone contenus dans les gaz de la turbine et provoque ainsi une combustion partielle de ces gaz, compensant la chute de température provoquée par la détente à chaque étage.
Idéalement on obtient une détente isothermique.
Les gaz détendus quittent la turbine de détente (12) par le conduit (15). Ces gaz ont un potentiel calorifique qui peut être important et sont utilement consommés, après combustion, dans un four thermique extérieur (four ou chaudière industrielle) pour valoriser à la fois leur pouvoir calorifique et leur enthalpie.
Quant à l'énergie mécanique fournie par la turbine de détente, celle-ci est transférée via un arbre (16) au compresseur (1), qui en consomme une part, et à la machine (20), alternateur ou autre engin mécanique. Le tableau ci-dessous permet de comparer les performances techniques de la turbine à gaz isothermique à oxydation partielle catalytique qui fait l'objet de l'invention et une turbine industrielle classique connue, les deux machines fonctionnant à même température et à même pression à l'entrée de la turbine.
Tableau 1 : comparaison des performances de la turbine à gaz isothermique à oxydation partielle catalytique avec les turbines à gaz connues.
* * turbine selon * turbine *
* * l'invention * connue * ****^fc***********************τ^
*- Pression de cycle(bars)* 15 * 15 *
*- Température de cycle * * *
* (°C) * 1100 * 1100 * *- Température des gaz * * * * sortie turbine (°C) * 1000 * 420 *
*- Puissance spécifique * * *
* (KJ/Kg d'air) * 800 * 300 * *- Besoins relatifs en air* 0.6 * 1.0 * *- Possibilités de valori-*Toutes applica-*Applications à * * sation de l'énergie des*tions à basse *T° faible et *
* gaz en sortie de la *et hautes T° *moyeπnnes *
* turbine *jusqu'à 1600°C *(max. 500°C) *
Ce tableau illustre les avantages de la turbine à gaz suivant l'invention, malgré l'utilisation d'une pression de cycle non optimale pour ce nouveau procédé, c'est-à-dire utilisant les conditions optimales des turbines à gaz connues. La figure 2 illustre le schéma de valorisation de l'énergie résiduelle du gaz à la sortie de la turbine selon l'invention dans un four industriel ou une chaudière.
La turbine suivant l'invention est représentée en (1). Le combustible y est injecté par le conduit (2).
La turbine génère de l'énergie mécanique ou électrique dans la machine (3).
Le gaz sortant de la turbine par le conduit (4) a un contenu énergétique à haut potentiel constitué de son eπthalpie (800-1000°C) et de son pouvoir calorifique.
Ce gaz est brûlé dans le four (6) aux brûleurs (5).
La température de combustion des gaz peut atteindre 1200 à 1600°C, ce qui permet d'utiliser la turbine à gaz à oxydation partielle catalytique comme source énergétique pour de nombreuses applications thermiques.
Un autre exemple d'application de la turbine suivant l'invention est son adaptation aux centrales électriques à cycle classique à vapeur dans le but d'augmenter leur puissance et leur rendement énergétique.
Le tableau 2 montre ce que l'on peut attendre comme amélioration d'une centrale thermique conventionnelle (rendement net de conversion en électricité : 40 % ) en y insérant soit une turbine à gaz suivant l'invention, soit une turbine à gaz classique. Tableau 2.
************************************* * * turbine selon * turbine *
* * l'invention * connue *
***********************************************************
*Puissance relative du * * *
*cycle à vapeur converti * * * *0=puissance cycle initial)* 0.95 * 0.85 *
*Puissance turbine à gaz * 0.60 * 0.27 *
*Puissance totale nouvelle * 1.55 * 1.12 *
*Rendement du cycle global * 0.49 * 0.43 *
*Travaux d'adaptation du * réduits * importants * *cycle existant * (brûleurs) * *
*(économiseurs) * * *
*Retour possible à la * * *
*situation antérieure * * . *
*(chaudière seule) * sans problème * complexe *
Ce tableau montre la supériorité manifeste de la turbine à gaz suivant l'invention sur une turbine à gaz connue dans le cas de l'amélioration d' unités thermiques classiques existantes.
Dans le cas de la turbine à gaz selon l'invention, le choix de conditions de pression et de température optimales entrine des performances inégalées même par rapport aux turbines à cycle avancé en cours de développement et permet en outre d'assurer la combustion interne progressive et totale des gaz lors de la détente.
Par exemple, la turbine suivant l'invention fonctionnant à 55 bars - 1300°C permet de réaliser un rendement direct de conversion de 42$ et un rendement en cycle combiné gaz/vapeur de 61 % à comparer à 52 pour les meilleurs cycles connus dans des conditions thermiques similaires.
On peut également transformer les turbines à gaz de tout type connu en turbines à gaz à oxydation partielle catalytique. Bien que les performances obtenues ne soient pas aussi élevées que celles des machines de construction spécifique, la transformation procure des avantages techniques et économiques appréciables.
Les transformations à effectuer sont les suivantes :
- Suppression des chambres de combustion, remplacées par un réacteur d'oxydation partielle catalytique à lit fixe avec conduits appropriés
- Mise en place d'une turbine complémentaire prélevant l'air en excès disponible au refoulement du compresseur, soit environ 35 à 40 du débit d'air total. Cette turbine détend l'air à la pression atmosphérique ou dans les circuits de combustion d'un four et entraîne un alternateur complémentaire. S'il existe un système de refroidissement des aubes 'de la turbine ou y introduire de la vapeur d'eau.
Caractéristiques de la machine originale :
- Puissance : 100 M1
- Température des gaz à l'entrée de la turbine : 1500°C - Pression des gaz à l'entrée de la turbine : 15 bars
- Refroidissement des aubes à l'air Caractéristiques de la machine adaptée suivant l'invention:
- Puissance : 220 MUi
- Température des gaz à l'entrée de la turbine : 1050°C - Pression des gaz à l'entrée de la turbine : 15 bars
- Refroidissement des aubes à la vapeur d'eau.
On constate une augmentation importante de la puissance disponible qui est plus que doublée; de plus il y a également un gain en rendement direct de conversion.
Il faut toutefois rappeler que le gaz issu de l'échappement de la turbine est combustible et qu'il faut le brûler dans un système thermique attenant.

Claims

REUENDICATIONS
1. Turbine à gaz composée d'un compresseur d'air, d'une turbine de détente de gaz chauds et d'un générateur de gaz fonctionnant à partir d'hydrocarbure, de l'air fourni par le compresseur et de vapeur d'eau, caractérisée en ce que le générateur de gaz chauds est un réacteur d'oxydation partielle catalytique à lit fixe réalisant les réactions : CnH + n/2 02 + N2 —- n C0 + m/2 H2 + N2
CnHm + (n+m/4)02 + N2 —- n C02 + m/2 H20 + N2 CnHm + nH20 — nCO + (m/2 + n) H2 et produisant ainsi un gaz combustible stable à température acceptable pour les matériaux de la turbine moyennant un réglage relatif convenable des débits de combustible, d'air et de vapeur d'eau. Le volume des gaz issus du générateur et à détendre est nettement plus élevé que celui de l'air comprimé et permet donc d'obtenir une puissance utile disponible plus importante que dans le cas des turbines à gaz connues.
2. Turbine à gaz suivant la revendication 1 , comportant des aubes fixes et mobiles refroidies à l'air caractérisée en ce que cet air de refroidissement assure la combustion partielle du gaz combustible détendu dans la turbine. Cette combustion partielle permet de réaliser dans la turbine une détente à caractère isothermique favorable à l'obtention d'une meilleure conversion énergétique.
3. Turbine à gaz suivant les revendications 1 et 2, caractérisée par la mise en oeuvre d'une pression élevée proche de 60 bars permettant la combustion interne progressive et totale des gaz issus du réacteur d'oxydation partielle dans la turbine de détente . Ce dispositif permet de réaliser des cycles de turbine à gaz vapeur dont l'efficacité est supérieure à 60$ .
4. Turbine à gaz suivant la revendication 1 caractérisée par le fait qu'elle résulte de la transformation d'une turbine à gaz connue en turbine à gaz à oxydation partielle catalytique par suppression des chambres de combustion, par la mise en oeuvre d'un réacteur catalytique d'oxydation partielle et d'une turbine de détente de l'air excédentaire livré par le compresseur, et dans laquelle on injecte éventuellement de la vapeur d'eau comme fluide refroidissant des aubes de la turbine.
5. Turbine à gaz suivant les revendications 1,2 et 4 caractérisée par l'utilisation des gaz combustibles à haute température disponibles à la sortie de la turbine de détente pour la combustion dans des fours ou chaudières industrielles fonctionnant à température élevée.
PCT/BE1990/000054 1989-10-11 1990-10-04 Turbine a gaz isotherme a oxydation partielle catalytique (tgiop) WO1991005946A1 (fr)

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