GAZEIFICATION DE DECHETS PAR PLASMA PLASMA WASTE GASIFICATION
La pollution est actuellement mondialement à l'ordre du jour et diverses solutions sont avancées dans ce domaine. En effet le réchauffement de la planète (effet de serre) du à la pollution atmosphérique risque de poser de graves problèmes climatiques si elle n'est pas réduite drastiquement. Cette pollution provient des transports, des transformations de l'énergie, de l'industrie, de l'agriculture ainsi que des usages domestiques.Pollution is currently on the agenda worldwide and various solutions have been put forward in this area. Indeed, global warming (greenhouse effect) due to atmospheric pollution risks posing serious climatic problems if it is not drastically reduced. This pollution comes from transport, energy transformations, industry, agriculture as well as domestic uses.
Il est en effet connu que la quantité de déchets de toutes sortes est, surtout dans les pays les plus développés, en constante augmentation ce qui ne fait qu'aggraver la situation. De plus les dégagements industriels d'anhydride carbonique (CO2) responsables de la pollution atmosphérique représentent pour une zone géographique déterminée, une concentration en un nombre très restreint de lieux d'émissionIt is indeed known that the quantity of waste of all kinds is, especially in the most developed countries, constantly increasing which only worsens the situation. In addition, the industrial releases of carbon dioxide (CO 2 ) responsible for atmospheric pollution represent, for a given geographical area, a concentration in a very limited number of emission sites.
(cimenteries par ex.)fecilement récupérables.(eg cement works) easily recoverable.
Dans la pratique actuelle, la présence d'eau (H2O), d'azote (N2) et d'anhydride carbonique (CO2) résultant de la combustion avec l'air comme comburant, la chaleur sensible produite , bien qu'importante, limite l'accès à des températures élevées. II faut éviter la présence d'air et même d'oxygène (O2) et pour ce faire seule la pyrolyse des déchets est envisageable mais cela implique certaines contraintes car il faut:In current practice, the presence of water (H 2 O), nitrogen (N 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) resulting from combustion with air as oxidizer, the sensible heat produced, although 'important, limits access to high temperatures. It is necessary to avoid the presence of air and even oxygen (O 2 ) and to do this only the pyrolysis of the waste is possible but this implies certain constraints because it is necessary:
• compenser la teneur en oxygène (O2) des déchets par un appoint de coke (C) mélangé aux déchets afin de profiter de leur affinité sélective pour augmenter la transformation en monoxyde de carbone (CO) et hydrogène (H2).• compensate for the oxygen (O 2 ) content of the waste by adding coke (C) mixed with the waste in order to take advantage of their selective affinity to increase the transformation into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
• réduire la teneur en eau (H2O) pour limiter l'apport énergétique nécessaire à la pyrolyse.• reduce the water content (H 2 O) to limit the energy supply necessary for pyrolysis.
• atteindre une température suffisamment élevée que pour éviter la formation de goudrons, de dioxine etc. La pyrolyse des déchets peut être effectuée de deux façons:• reach a temperature high enough to avoid the formation of tar, dioxin etc. Waste pyrolysis can be done in two ways:
*> soit l'énergie thermique nécessaire à la pyrolyse est produite à l'extérieur du réacteur contenant les déchets
• ces déchets séchés et améliorés par addition de carbone (C) sont introduits dans un réacteur, concentrique à celui dans lequel se produit la combustion de gaz ou de mazout, dans lequel l'oxygène (Q2) et été remplacé par de l'azote (N2) ou de l'anhydride carbonique (CQ2). Ce procédé était antérieurement utilisé pour produire du fuel mi-lourd à τ>artff de vieux pneus. soit l'énergie thermique nécessaire à la pyrolyse est produite à rintérieur du réacteur contenant les déchets.*> either the thermal energy necessary for pyrolysis is produced outside the reactor containing the waste • this waste, dried and improved by adding carbon (C), is introduced into a reactor, concentric with that in which the combustion of gas or fuel oil takes place, in which the oxygen (Q2) and has been replaced by nitrogen (N 2 ) or carbon dioxide (CQ 2 ). This process was previously used to produce medium heavy fuel oil at τ> artff from old tires. or the thermal energy necessary for pyrolysis is produced inside the reactor containing the waste.
• par combustion ou oxydation partielle sous atmosphère contrôlée• by combustion or partial oxidation under controlled atmosphere
• sous forme d'électricité extérieure ou en auto-production permettant l'ionisation d'un gaz plasmagène et de là toutes les manipulations de modification que nous souhaitons lui apporter. La technologie du plasma permet de transformer l'énergie électrique en énergie calorifique et d'atteindre des températures qu'aucune autre technologie ne peut produire. Le phénomène est entretenu par conduction électrique (arc électrique) ou induction magnétique. Cet arc électrique peut être produit entre électrodes consommables en graphite comme utilisées en fonderie de ferrailles, il est alors dit du type "arc transféré" car le courant passe dans la ferraille et/ou le laitier conducteur résultant de la fusion. Dans le cas contraire il est dit "arc non transféré ou soufflé". II est connu que suite aux hautes températures obtenues en milieu plasmatique les propriétés des gaz changent. En effet, pour une température supérieure à 2000°C les molécules de gaz se dissocient et évoluent vers un état atomique et que pour une température supérieure à 2500°C, les molécules sont complètement dissociées et que les atomes perdent progressivement leur(s) électron(s) et se trouvent ainsi sous forme de gaz ionisé qui présente une grande énergie. Cette énergie peut être appliquée entre autre pour chauffer, gazéifier, provoquer des réactions chimiques dans et/ou autour du plasma ainsi créé.• in the form of external electricity or in self-production allowing the ionization of a plasma gas and hence all the modification manipulations that we wish to bring to it. Plasma technology transforms electrical energy into heat energy and reaches temperatures that no other technology can produce. The phenomenon is maintained by electrical conduction (electric arc) or magnetic induction. This electric arc can be produced between consumable graphite electrodes as used in scrap foundry, it is then said to be of the "transferred arc" type because the current passes through the scrap and / or the conductive slag resulting from the fusion. Otherwise it says "arc not transferred or blown". It is known that following the high temperatures obtained in plasma medium the properties of the gases change. Indeed, for a temperature above 2000 ° C the gas molecules dissociate and evolve towards an atomic state and that for a temperature above 2500 ° C, the molecules are completely dissociated and the atoms gradually lose their electron (s) (s) and are thus in the form of an ionized gas which has a high energy. This energy can be applied among other things to heat, gasify, cause chemical reactions in and / or around the plasma thus created.
Pour une température inférieure à 2.000°C, le plasma retourne à l'état moléculaire normal. De plus, ce plasma, comparé à un gaz normal, présente une bonne conductivité et une haute viscosité.For a temperature below 2,000 ° C, the plasma returns to the normal molecular state. In addition, this plasma, compared to a normal gas, has good conductivity and high viscosity.
Des gaz rares tels l'argon (Ar), l'hélium (He) etc ... peuvent être utilisés comme gaz plasmagène.
L'azote (N2) n'est pas à envisager ceci afin de séparer production d'énergie et contrôle de température.Rare gases such as argon (Ar), helium (He) etc ... can be used as plasma gas. Nitrogen (N 2 ) is not to be considered in order to separate energy production and temperature control.
Comme l'air est à éviter en tant que gaz plasmagène puisqu'on souhaite traiter les déchets en l'absence d'oxygène (Q2) h. préférence sera donnée à des gaz ou mélanges de gaz plus difficiles à traiter comme, exemple non limnati£ COα, CH3OH+CO2, H2O, etc ...mais ceux-ci nous obligent à des manipulations en fonction du nombre d'atomes de carbone (Ç) et d'oxygène (O2) qu'ils contiennent En effet, ces gaz ou mélanges gazeux devront toujours présenter un nombre d'atomes de carbone (ce dernier pouvant même être zéro) inférieur au nombre d'atomes d'oxygène. Ces gaz amenés à l'état atomique se prêteront, par injection à l'aide d'anhydride carbonique (CO2) comme gaz propulseur, d'une quantité de graphite (C) bien précise, a une manipulation permettant lorsque la température redescendra sous les 2Θ00°C de créer des réaction fortement exothermiques qui produiront, suivant le gaz plasmagène choisi, du monoxyde de carbone (CO) ou du monoxyde de carbone (CO) plus de l'hydrogène (H2).As air is to be avoided as a plasma gas since we want to treat waste in the absence of oxygen (Q 2 ) h. preference will be given to gases or gas mixtures which are more difficult to treat, such as, for example, not limnati £ COα, CH3OH + CO2, H2O, etc ... but these require us to manipulate according to the number of carbon atoms (Ç) and oxygen (O 2 ) that they contain Indeed, these gases or gaseous mixtures must always have a number of carbon atoms (the latter may even be zero) lower than the number of oxygen atoms . These gases brought to the atomic state will lend themselves, by injection using carbon dioxide (CO 2 ) as propellant, of a quantity of graphite (C) very precise, has a manipulation allowing when the temperature will drop below 2Θ00 ° C to create strongly exothermic reactions which will produce, depending on the plasma gas chosen, carbon monoxide (CO) or carbon monoxide (CO) plus hydrogen (H 2 ).
L'utilisation de ranhydride carbonique (CO2) comme gaz plasmagène impose , en plus d'un bon degré de pureté nécessitant un traitement adapté, d'atteindre l'état atomique de l'oxygène afin d'être certain d'avoir décomposé tout le monoxyde de carbone (CO) mais on veillera à ne pas dépasser la valeur de 890,5 Kj môle d'anhydride carbonique (CO2) afin d'éviter la sublimation du carbone. La température sera contrôlée par injection d'anhydride carbonique (CO2) par voie autre que celte du plasma. En remplacement de ranhydride carbonique (CO2) comme gaz plasmagène, il est possible d'utiliser deux môles d'eau (H2O) mais cela nécessitera aussi l'injection de carbone (C) à raison de 12 gr/môle d'eau. Ces avantages du plasma peuvent être appliqués îans le traitement de pratiquement tous les déchets tels que déchets urbains, boues de stations d'épuration, vieux pneus, combustibles médiocres (lignite, tourbes, schlamms), biomasse, huiles de vidange, etc.... Les boues de dragage quant à elles offrent très peu d'intérêt. Nous nous attacherons spécialement aux déchets urbains. L'idée générale du projet consiste en :The use of carbon dioxide (CO 2 ) as a plasma gas requires, in addition to a good degree of purity requiring appropriate treatment, to reach the atomic state of oxygen in order to be certain of having broken down everything carbon monoxide (CO) but care must be taken not to exceed the value of 890.5 Kj mole of carbon dioxide (CO 2 ) in order to avoid sublimation of the carbon. The temperature will be controlled by injection of carbon dioxide (CO 2 ) by a means other than that of plasma. To replace carbon dioxide (CO 2 ) as the plasma gas, it is possible to use two moles of water (H 2 O) but this will also require the injection of carbon (C) at the rate of 12 gr / mole of water. These advantages of plasma can be applied in the treatment of practically all waste such as urban waste, sludge from sewage treatment plants, old tires, poor fuels (lignite, peat, slag), biomass, waste oils, etc ... Dredging mud offers very little interest. We will pay special attention to urban waste. The general idea of the project consists of:
0 l'ionisation de composants gazeux grâce à la chaleur apportée par le plasma 0 ionization of gaseous components thanks to the heat provided by the plasma
• la gazéification des déchets urbains• gasification of urban waste
• le contrôle des températures par injection d'anhy^tide arbonique (CO2).
L'idée nouvelle est basée sur l'injection d'anhydride carbonique (CO2) récupéré sur les lieux d'émission, principalement les cimenteries fours à chaux, centrales au charbon. Le gaz de synthèse résultant de ce traitement servira, à produire de l'électricité, sans aucune combustion, dans une installation turbine-vapeur. De ce gaz de synthèse on extraira en outre des gaz à haute valeur ajoutée, à savoir:• temperature control by injection of arbon anhydride (CO 2 ). The new idea is based on the injection of carbon dioxide (CO 2 ) recovered on the emission sites, mainly the cement kilns, lime plants. The synthesis gas resulting from this treatment will be used to produce electricity, without any combustion, in a steam turbine installation. This synthesis gas will also extract gases with high added value, namely:
> du monoxyde de carbone (CO) qui pourra servir à la fabrication de nanotubes> carbon monoxide (CO) which can be used to manufacture nanotubes
> de l'hydrogène (H2) qui pourra être stocké dans ces nanotubes. Cet hydrogène ainsi stocké pourra servir de carburant/combustible pour des applications particulières de zéro pollution. Le reste de gaz de synthèse sera brûlé dans une installation turbine gaz-vapeur et les gaz d'échappement de cette dernière seront transformés en méthanol. Le méthanol servira de combustible mais aussi carburant aux piles à combustible : DMFC (Direct Méthanol Fuel Cell) alimentée par une solution d'eau à 3% de méthanol. PEMFC -h Reformer alimentées au méthanol et qui seront bientôt mises sur le marché. Ce type de pile équipe déjà des véhicules à traction électrique dont le rendement très élevé Permet, à puissance égale et kilométrage identique, de rejeter 2,5 fois moins de CO2 que le même véhicule à moteur thermique.> hydrogen (H 2 ) which can be stored in these nanotubes. This hydrogen thus stored can be used as fuel for specific applications of zero pollution. The rest of the synthesis gas will be burned in a gas-steam turbine installation and the exhaust gases from the latter will be transformed into methanol. Methanol will be used as fuel but also fuel for fuel cells: DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) supplied with a water solution containing 3% methanol. PEMFC -h Reformer fueled with methanol and which will soon be put on the market. This type of battery already equips vehicles with electric traction whose very high efficiency Allows, at equal power and identical mileage, to reject 2.5 times less CO2 than the same vehicle with thermal engine.
L'idée développée ci-après est une solution avantageuse apportée au traitement des déchets urbains. Selon des relevés officiels, les déchets urbains sont composés de :The idea developed below is an advantageous solution to the treatment of urban waste. According to official reports, urban waste consists of:
Verres 4,43%Glasses 4.43%
Papiers-cartons 14,35%Paper and cardboard 14.35%
Cartons boissons-plastiques 9,08%Beverage-plastic cartons 9.08%
Métaux 3,07% Textiles 11,56%Metals 3.07% Textiles 11.56%
Résidus non classés 4,47%Unclassified residues 4.47%
Matières organiques-déchets verts...39,53%Organic matter-green waste ... 39.53%
Déchets spéciaux 0,92%Special waste 0.92%
Fines 12,60% Humidité 40,00%Fine 12.60% Moisture 40.00%
PCItotal 8,492Kj/Kg
Il serait tout à fait techniquement illogique voire irresponsable de perdre cette richesse énergétique potentielle en la brûlant tout simplement. Cette énergie potentielle peut être récupérée grâce à l'application du principe inventif objet du présent brevet. D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation avantageux décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif et faisant référence aux figures annexées : En figure 1 vue en coupe de l'ensemble du réacteur. En figure 2 vue en coupe de la torche plasma. Dans ces figures, les même repères désignent les même pièces. L'installation reprise à la figure 1 se compose d'un réacteur 1 comprenant une cuve 2, une alimentation en déchets 3, via une vis 4 commandée par un moteur 5. Ces déchets 3 préalablement séchés dans un séchoir 17 afin d'amener leur teneur en humidité de 40 à 10%, sont densifiés dans la presse à vis 4 sous atmosphère d'anhydride carbonique (CO2). Ce réacteur 1 est pourvu à sa base d'une cuve 2 destinée à recevoir le laitier 14 constitué par les non gazéifiables contenus dans les déchets urbains 3 ainsi que les scories de four électrique 11 qui constitueront le laitier de démarrage de Finstallation. Le niveau du laitier 14 qui verra son volume augmenter en cours d'exploitation, sera maintenu constant par la présence de gargouilles 15. Ces gargouilles chauffées par induction maintiendront une bonne fluidité du laitier 14 qui à sa sortie sera précipité dans l'eau où il se vitrifiera.PCItotal 8,492Kj / Kg It would be entirely technically illogical or even irresponsible to lose this potential energy wealth by simply burning it. This potential energy can be recovered by applying the inventive principle which is the subject of this patent. Other features and characteristics of the invention will emerge from the description of an advantageous embodiment described below by way of nonlimiting example and with reference to the appended figures: In FIG. 1, a sectional view of the whole of the reactor. In Figure 2 sectional view of the plasma torch. In these figures, the same references designate the same parts. The installation shown in Figure 1 consists of a reactor 1 comprising a tank 2, a waste supply 3, via a screw 4 controlled by a motor 5. These waste 3 previously dried in a dryer 17 in order to bring their moisture content from 40 to 10%, are densified in the screw press 4 under carbon dioxide (CO2) atmosphere. This reactor 1 is provided at its base with a tank 2 intended to receive the slag 14 constituted by the non-gasifiable materials contained in urban waste 3 as well as the slag from electric furnace 11 which will constitute the slag for starting up the installation. The level of the slag 14 which will see its volume increase during operation, will be kept constant by the presence of gargoyles 15. These gargoyles heated by induction will maintain a good fluidity of the slag 14 which at its outlet will be precipitated in the water where it will vitrify.
La cuve à laitier 2 est surmontée d'un certain nombre de torches plasma 6 , ce nombre étant fonction de la quantité de déchets à traiter par heure.The slag tank 2 is surmounted by a number of plasma torches 6, this number being a function of the quantity of waste to be treated per hour.
Les torches plasma 6 à électrodes ou à induction sont pourvues, ainsi que montré figure 2, d'un conduit 8 d'injection du gaz plasmagène ainsi que d'un conduit 10 fournissant un anneau de gaz protecteur (CO2) qui crée à la sortie de l'arc plasma une légère dépression favorisant la stabilité de ce dernier tout en protégeant les parois du réacteur des fortes températures du plasma.The plasma torches 6 with electrodes or with induction are provided, as shown in FIG. 2, with a pipe 8 for injecting the plasma gas as well as a pipe 10 providing a ring of protective gas (CO2) which creates at the outlet from the plasma arc a slight depression favoring the stability of the latter while protecting the walls of the reactor from high plasma temperatures.
Les torches plasma 6 peuvent être alimentées électriquement en 9 par des impulsions déphasées dans le temps ou par un courant multiphasé. Ces alimentations montées en étoile avec un point commun permettent de créer un champ tournant augmentant ainsi la zone d'influence du jet plasmatique.The plasma torches 6 can be supplied electrically at 9 by pulses phase-shifted in time or by a multiphase current. These power supplies mounted in a star with a common point make it possible to create a rotating field thus increasing the zone of influence of the plasma jet.
La partie supérieure du réacteur 1 est occupée par un échangeur thermique 7 qui produira la vapeur destinées à l'alimentation de l'installation turbine-vapeur 21 et cette vapeur,
récupérée au condenseur de ladite turbine alimentera, en cogénération, un séchoir 17 permettant de sécher les déchets urbains 3 et de ramener leur taux d'humidité de 40 à 10%.The upper part of reactor 1 is occupied by a heat exchanger 7 which will produce the steam intended for supplying the steam-turbine installation 21 and this steam, recovered from the condenser of said turbine will supply, in cogeneration, a dryer 17 making it possible to dry urban waste 3 and reduce their humidity rate from 40 to 10%.
Pour le démarrage du réacteur 1 d'une telle installation, nous avons besoin : ° d'avoir une alimentation électrique extérieureTo start reactor 1 of such an installation, we need: ° to have an external electrical supply
• de choisir un gaz plasmagène 8 permettant d'obtenir du monoxyde de carbone (CO) ou du monoxyde de carbone (CO) + de l'hydrogène (Eb)• choose a plasma gas 8 to obtain carbon monoxide (CO) or carbon monoxide (CO) + hydrogen (Eb)
• que la cuve 2 soit remplie d'une certaine quantité de scories solidifiées 11 provenant, -par exemple, d'un four électrique. • de récupérer l'anhydride carbonique (CO2) rejeté sous forte concentration par une industrie (cimenteries, fours à chaux etc.).• that the tank 2 is filled with a certain quantity of solidified slag 11 coming, for example, from an electric oven. • recover carbon dioxide (CO 2 ) released under high concentration by an industry (cement factories, lime kilns, etc.).
Cet anhydride carbonique (CO2 )sera récupéré en sortie en le séparant des gaz brûlés au lieu de les rejeter dans l'atmosphère, puis il sera conditionné pour un futur stockage ou une future valorisation. Le principal problème de la récupération de ranhydride carbonique (CO2) dans les effluents est sa faible concentration (4 à 14% selon les technologies) et sa faible pression partielle nécessitant de traiter des grands volumes d'effluents.This carbon dioxide (CO2) will be recovered at the outlet by separating it from the burnt gases instead of discharging them into the atmosphere, then it will be conditioned for future storage or future recovery. The main problem of recovering carbon dioxide (CO 2 ) from effluents is its low concentration (4 to 14% depending on the technology) and its low partial pressure, requiring the treatment of large volumes of effluent.
Dans les centrales la concentration en anhydride carbonique ( CO2) dans les gaz brûlés peut être augmentée jusqu'à 90% si l'air est remplacé par de l'oxygène pur. Dans ce cas, la récupération du CO2 se limite à une simple séparation de la vapeur d'eau dans un condenseur.In power plants the concentration of carbon dioxide (CO2) in the flue gases can be increased up to 90% if the air is replaced by pure oxygen. In this case, the recovery of CO2 is limited to a simple separation of the water vapor in a condenser.
En contrôlant l'énergie électrique 9 appliquée aux torches à plasma 6 alimentées en anhydride carbonique (CO2 ) 8 choisi parmi d'autres comme gaz plasmagène, on obtient la réaction suivante: CO2 (gaz) + 890,5 kJ • C (solide) +2 O (gaz)By controlling the electrical energy 9 applied to the plasma torches 6 supplied with carbon dioxide (CO 2 ) 8 chosen from among others as plasma gas, the following reaction is obtained: CO 2 (gas) + 890.5 kJ • C ( solid) +2 O (gas)
L'énergie électrique est cédée à 85% à ranhydride carbonique (CO2) 8 qui traverse l'arc produit ce qui permet d'atteindre des températures impossibles à obtenir par toute autre méthode connue. Cette énergie électrique appliquée ne pourra néanmoins en aucun cas atteindre 1058 Kj/môle d'anhydride carbonique (CO2) afin de conserver le carbone (C) à l'état solide.The electrical energy is given up to 85% to carbon dioxide (CO 2 ) 8 which crosses the arc produced, which makes it possible to reach temperatures impossible to obtain by any other known method. However, this applied electrical energy cannot in any case reach 1058 Kj / mole of carbon dioxide (CO 2 ) in order to keep the carbon (C) in the solid state.
On procédera ensuite à l'injection de graphite (C) propulsé par de l'anhydride carbonique (CO2) en quantité adéquate afin d'obtenir: 2 C (solide) + 2 O (gaz)
Pour contrôler la très haute température résultant de l'énergie de dissociation moléculaire du gaz plasmagène choisi, augmentée de la chaleur sensible issue de la réaction exothermique réalisée sous 2000°C, à savoir:We then proceed to inject graphite (C) propelled by carbon dioxide (CO 2 ) in an adequate quantity in order to obtain: 2 C (solid) + 2 O (gas) To control the very high temperature resulting from the molecular dissociation energy of the chosen plasmagenic gas, increased by the sensible heat resulting from the exothermic reaction carried out under 2000 ° C, namely:
2C + O2 = 2CO + 553.000 Cal. et comme nous souhaitons travailler vers 1500°C (1773° ) température ou la fluidité du laitier acide utilisé est la même que celle d'un laitier basique à 1700°C (1973°K), il est nécessaire d'injecter par des tuyères 12 des quantités importantes de gaz ou mélange de gaz ne possédant aucun pouvoir calorifique, entre autre gaz, de ranhydride carbonique2C + O 2 = 2CO + 553,000 Cal. and as we wish to work around 1500 ° C (1773 °) temperature or the fluidity of the acid slag used is the same as that of a basic slag at 1700 ° C (1973 ° K), it is necessary to inject by nozzles 12 significant quantities of gas or gas mixture having no calorific value, among other gases, of carbon dioxide
(OO2). Par mesure de précaution une seconde injection d'anhydride carbonique (CO2) abaissera la température du gaz 16 passant dans réchangeur thermique 7 vers 1200°C. (1473°K). A cette température et malgré les pertes inhérentes à toute technologie, la chaleur sensible résultante est encore suffisante pour assurer la production par une installation Turbine- Vapeur, de 70% de l'énergie électrique consommée par le plasma La vapeur sous pression 20 sortant de réchangeur thermique 7 alimentera un groupe turbine-vapeur 21 couplée à un alternateur 22 produisant ainsi de l'électricité et la vapeur provenant du condensateur de ladite turbine alimentera en cogénération un séchoir 17 servant à abaisser l'humidité des déchets de 40% à 10% avant leur introduction dans le système vis sans fin 4. La vapeur sortant du séchoir 17 sera ramenée dans le serpentin de l'échangeur thermique 17 après refroidissement dans une tour 23 afin de la ramener à l'état liquide. Quant au gaz 16 sortant de l'échangeur thermique 7 à une température de 500K,. il passera dans une installation 28 (par exemple procédé NEUTREC) de neutralisation des acides par contact avec du bicarbonate de sodium (2NaHCO3) provenant du silo 18 par l'intermédiaire d'une vis sans fin actionnée par le moteur 25, réduit en poudre dans le broyeur 24 et ensuite insufflé dans le réacteur contact 28 . Le reliquat chargé de produits sodiques (chlorure de sodium, sulfate de sodium et carbonate de sodium ) résultant de ce contact sera récolté, dans un filtre à manche 19 , avant d'être valorisé comme matière première par l'industrie chimique. Ce gaz de synthèse sera:(OO2). As a precaution, a second injection of carbon dioxide (CO 2 ) will lower the temperature of the gas 16 passing through the heat exchanger 7 to around 1200 ° C. (1473 ° K). At this temperature and despite the losses inherent in any technology, the resulting sensible heat is still sufficient to ensure the production by a Turbine-Steam installation, of 70% of the electrical energy consumed by the plasma The pressurized steam leaving the exchanger thermal 7 will feed a steam turbine group 21 coupled to an alternator 22 thus producing electricity and the steam coming from the condenser of said turbine will supply cogeneration a dryer 17 used to lower the humidity of the waste from 40% to 10% before their introduction into the worm system 4. The steam leaving the dryer 17 will be returned to the coil of the heat exchanger 17 after cooling in a tower 23 in order to return it to the liquid state. As for the gas 16 leaving the heat exchanger 7 at a temperature of 500K ,. it will pass through an installation 28 (for example NEUTREC process) for neutralizing acids by contact with sodium bicarbonate (2NaHCO 3 ) coming from silo 18 via an endless screw actuated by the motor 25, reduced to powder in the crusher 24 and then blown into the contact reactor 28. The balance loaded with sodium products (sodium chloride, sodium sulfate and sodium carbonate) resulting from this contact will be collected, in a bag filter 19, before being valued as a raw material by the chemical industry. This synthesis gas will be:
• lavé par eau de manière à encore diminuer sa température à environ 50°C• washed by water so as to further reduce its temperature to around 50 ° C
• débarrassé des impuretés qu'il pourrait encore transporter.
• et enfin introduit dans les tours de perméation afin d'en extraire les gaz à haute valeur ajoutée qu'il contient. Ensuite ce gaz de synthèse composé, selon le gaz plasmagène choisi, de monoxyde de carbone (CO), d'anhydride carbonique (CO2) et d'hydrogène (H2) devra être enrichi en carbone par injection de méthane (CH t) provenant de la méthanisation de déchets urbains, avant son introduction dans le compresseur de la turbine-gaz-vapeur où il sera brûlé en présence d'oxygène pur.• cleared of the impurities which it could still transport. • and finally introduced into the permeation towers in order to extract the high added value gases it contains. Then this synthesis gas composed, depending on the plasma gas chosen, of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) must be enriched in carbon by injection of methane (CH t) from the methanisation of urban waste, before its introduction into the compressor of the gas-steam turbine where it will be burned in the presence of pure oxygen.
La température atteinte dans la chambre de combustion de cette installation turbine- gaz- vapeur devra être ramenée à des valeur compatibles avec les matériaux constitutifs de l'installation et cela : par injection dans le gaz de synthèse d'anhydride carbonique (CO2) avant introduction dans la chambre de combustion •• ainsi que d'eau dans cette dernière. Si nécessaire, il sera toujours possible d'injecter de l'eau dans les gaz d'échappement provenant de la turbine et constitué uniquement d'anhydride carbonique (CO2) et d'eau (H2O) pour atteindre le rapport CO2/H2O = 11/9 tout en leur conservant une température de 500°KThe temperature reached in the combustion chamber of this turbine-gas-steam installation must be reduced to a value compatible with the constituent materials of the installation and this: by injection into the synthesis gas of carbon dioxide (CO 2 ) before introduction into the combustion chamber •• as well as water into the latter. If necessary, it will always be possible to inject water into the exhaust gases coming from the turbine and consisting only of carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) to reach the CO 2 ratio / H 2 O = 11/9 while retaining a temperature of 500 ° K
Ces gaz d'échappement seront alors transformés en méthanol selon une technologie développée après le paragraphe relatif au service continu de l'installation. En service continu, le laitier 14 étant maintenu à la bonne température et la bonne fluidité compte tenu de son Ph, grâce à l'action régulatrice des températures exercée par unelère injection d'anhydride carbonique (CO2), l'atmosphère du réacteur 1 étant composée uniquement de CO et CO2, les déchets ramenés à 10% d'humidité, enrichis par addition de coke afin de fixer l'oxygène présent dans leur composition chimique, peuvent être introduits dans le réacteur 1. Us tomberons dans le laitier 14 où par différence de densité, ils flotteront le temps d'être foudroyés par le souffle du plasmalls pyrolyseront dans le laitier 14 et dans une ambiance sans oxygène, produiront un gaz de synthèse riche en CO, CO2, H2, N2, HC1, H2S à une températurede 1er niveau tout en y déposant les non gazéifiables. Le niveau du laitier 14 augmentera jusqu'à atteindre le trop plein 15 d'où il sera précipité dans de l'eau où il se vitrifiera.These exhaust gases will then be transformed into methanol according to a technology developed after the paragraph relating to the continuous service of the installation. In continuous service, the slag 14 being maintained at the right temperature and the right fluidity taking into account its Ph, thanks to the temperature-regulating action exerted by a slight injection of carbon dioxide (CO2), the atmosphere of reactor 1 being composed only of CO and CO2, the waste brought back to 10% humidity, enriched by addition of coke in order to fix the oxygen present in their chemical composition, can be introduced into the reactor 1. They will fall into the slag 14 where by density difference, they will float the time to be struck by the breath of the plasmalls pyrolyze in the slag 14 and in an oxygen-free atmosphere, will produce a synthesis gas rich in CO, CO2, H2, N2, HC1, H2S at a temperature 1st level while depositing the non-carbonated there. The level of the slag 14 will increase until it reaches the overflow 15 from where it will be precipitated in water where it will vitrify.
Selon le principe de précaution, la température du gaz de synthèse 16 sera abaissée à un 2cme niveau plus compatible avec la présence de HC1 grâce à une 2cme injection de CO2.
A cette température de 2cme niveau, le gaz de synthèse 16 présente une chaleur sensible qui malgré une partie réservée à l'enlèvement de HC1 et H2S par le procédé NEUTREC, pourra dans une installation Turbine-Vapeur 21, produire 500Kw par tonne de déchets séchés. La vapeur détendue récupérée au condenseur de la turbine 21, encore porteuse de 64% de la chaleur sensible transformée en vapeur qui alimenta la turbine, pourra assurer le séchage des déchets et amener leur teneur en H2O de 40 à 10%.According to the precautionary principle, the temperature of the synthesis gas 16 will be lowered to a second level more compatible with the presence of HC1 thanks to a second injection of CO2. At this temperature of 2 cm level, the synthesis gas 16 presents a sensible heat which, despite a part reserved for the removal of HC1 and H2S by the NEUTREC process, may in a Turbine-Steam installation 21, produce 500Kw per tonne of waste dried. The expanded steam recovered from the condenser of the turbine 21, which still carries 64% of the sensible heat transformed into steam which supplied the turbine, will be able to dry the waste and bring its H2O content from 40 to 10%.
Après le traitement par le procédé NEUTREC qui a récupéré les produits sodiques et les métaux lourds à point de fusion supérieure à 150°C, le gaz de synthèse sera lavé afin d'abaisser sa température aux environs de 50°C et de condenser des métaus lourds tels que le mercure par ex. encore présents et permettre alors une séparation des composants gazeux par perméation. L'eau de lavage sera récupérée, filtrée par une membrane adéquate, qui lorsqu'elle sera saturée ira rejoindre les déchets à traiter .Après quelques opérations de filtrage les concentrations en métaux lourds dans la membrane, en permettront la récupération.After treatment with the NEUTREC process which has recovered the sodium products and heavy metals with a melting point above 150 ° C, the synthesis gas will be washed in order to lower its temperature to around 50 ° C and to condense meta heavy such as mercury e.g. still present and then allow separation of the gaseous components by permeation. The washing water will be recovered, filtered by an adequate membrane, which when it is saturated will join the waste to be treated. After a few filtering operations, the heavy metal concentrations in the membrane will allow its recovery.
Par la perméation, les composants du gaz de synthèse pourront erre séparés et récupérés selon leur taille moléculaire et leur solubilité dans la membrane dans l'ordre de leur vitesse de perméation relative, dégageant ainsi H2O, puis H2 suivi de CO2, de CO et enfin N2. CO pourra être transformé en nanotubes selon la formule 2CO = CO2 + CThrough permeation, the components of the synthesis gas can be separated and recovered according to their molecular size and their solubility in the membrane in the order of their relative permeation speed, thus releasing H2O, then H2 followed by CO2, CO and finally N2. CO can be transformed into nanotubes according to the formula 2CO = CO2 + C
C constituera le nanotube, CO2 sera lui réinjecté dans le CO2 et dans le CO inutilisé pour reconstituer le gaz de synthèse.C will constitute the nanotube, CO2 will be reinjected into CO2 and into unused CO to reconstitute the synthesis gas.
H2 ou tout au moins une partie sera récupérée et stockée dans les nanotubes ou en bouteilles. Le H2 non stocké ira rejoindre CO2, CO dans le gaz de synthèse qui sera alors constitué de CO2, CO, H2.H2 or at least part of it will be recovered and stored in the nanotubes or in bottles. The H2 not stored will join CO2, CO in the synthesis gas which will then be made up of CO2, CO, H2.
Le gaz ainsi reconstitué sera brûlé dans une installation Turbine-Gaz- Vapeur en présence de O2pur obtenu par perméation de l'air. Le N2 qui résulte du traitement de l'air ainsi que le N2 extrait du gaz de synthèse seront commercialisés. Afin d'obtenir dans la chambre de combustion des températures compatibles avec les matériaux utilisés pour sa construction une 3eme injection de CO2 sera pratiquée dans le gaz de synthèse même avant son admission dans le compresseur de la T.G.V., tandjgf.que, H2O sera injectée directement dans la chambre de combustion.
L'énergie thermique développée dans la T.G.V. qui pourrait produire 1,2KW par Kg de déchets brut traité, peut être transformée partiellement en électricité en fonction du but recherché :The gas thus reconstituted will be burned in a Turbine-Gas-Steam installation in the presence of O2pur obtained by air permeation. The N2 resulting from the air treatment as well as the N2 extracted from the synthesis gas will be marketed. In order to obtain in the combustion chamber temperatures compatible with the materials used in its construction to a 3rd injection of CO2 will be formed in the same synthesis gas prior to its admission to the compressor TGV, tandjgf.que, H2O is injected directly into the combustion chamber. The thermal energy developed in the TGV which could produce 1.2KW per Kg of raw waste treated, can be partially transformed into electricity according to the desired goal:
Si nous cherchons à produire du CO2 pour permettre la récupération des rejets industriels en remplaçant le rôle joué par N2 dans la combustion en présence d'air par du CO2 dans la combustion en présence d'O2pur et ainsi en augmenter la concentration.If we are looking to produce CO2 to allow the recovery of industrial waste by replacing the role played by N2 in combustion in the presence of air by CO2 in combustion in the presence of O2pur and thus increase its concentration.
Si nous cherchons à transformer le CO2 en méthanol mais pour ce faire ,il faut du H2 qui peut être produit par différentes techniques.If we are looking to convert CO2 into methanol, but to do that, we need H2 which can be produced by different techniques.
Dans la première application, nous devons tenir compte que pour une chaleur sensible déterminée produite lors d'une combustion utilisant l'air comme comburant, l'azote présent dans l'air joue un rôle limitateur de la température. Si nous produisons la même chaleur sensible en utilisant de l'oxygène pur, la température atteinte sera beaucoup plus élevée et une injection de CO2 s'avérera nécessaire pour rester dans les même conditions de température que l'expérience précédente. Par ce procédé, la concentration en CO2 des fumées peut passer de quelques % à 90% et après traitement habituel des fumées, la récupération du CO2 se limite à une simple séparation de la vapeur d'eau dans un condenseur.In the first application, we must take into account that for a specific sensible heat produced during combustion using air as an oxidizer, the nitrogen present in the air plays a temperature limiting role. If we produce the same sensible heat using pure oxygen, the temperature reached will be much higher and an injection of CO2 will be necessary to stay in the same temperature conditions as the previous experiment. By this process, the CO2 concentration of the smoke can go from a few% to 90% and after the usual treatment of the smoke, the recovery of CO2 is limited to a simple separation of the water vapor in a condenser.
Le CO2 résultant de la combustion proprement dite sera récupéré en vue de son stockage ou de sa valorisation tandis que le CO2 régulateur de la température sera réinjecté dans les composants de la combustion.The CO2 resulting from the actual combustion will be recovered for storage or recovery while the temperature-regulating CO2 will be reinjected into the combustion components.
Dans la seconde application, nous proposons de transformer le CO2 en méthanol en le faisant réagir avec du H2 produit par le reformage du gaz naturel CH4 en présence deIn the second application, we propose to transform CO2 into methanol by reacting it with H2 produced by the reforming of natural gas CH4 in the presence of
H2O.H2O.
Pour produire de l'hydrogène, plusieurs possibilités sont étudiées, certaines sont déjà arrivées à maturité technologique.Several possibilities are being explored for producing hydrogen, some of which have already reached technological maturity.
La production d'hydrogène à partir de carburants fossiles est actuellement la plus répandue, mais elle ne constitue qu' une solution d'attente puisque tous ces carburants ont une durée de vie limitée, de plus, si même leur efficacité est de 85 à 90%, cette technique génère du CO2. On distingue trois procédés : Le vaporeformage du gaz naturel se scinde en deux réactions, la première est la réaction du méthane avec l'eau à 800-900°C qui produit en présence de catalyseurs appropriés du CO et du H2, la seconde est la réaction entre H2O et le CO qui produit du
CO2 et du H2. Non seulement cette technique produit du CO2 mais elle exige un brûleur qui lui aussi produit du CO2.The production of hydrogen from fossil fuels is currently the most widespread, but it is only a waiting solution since all these fuels have a limited lifespan, moreover, even if their efficiency is 85 to 90 %, this technique generates CO2. There are three processes: Steam reforming of natural gas splits into two reactions, the first is the reaction of methane with water at 800-900 ° C which produces CO and H2 in the presence of appropriate catalysts, the second is the reaction between H2O and CO which produces CO2 and H2. Not only does this technique produce CO2 but it requires a burner which also produces CO2.
L'oxydation partielle du gaz naturel est un procédé qui met en présence le CH4 et une quantité contrôlée d'O2 afin d'obtenir du CO. Cette réaction exothermique permet de se passer de brûleur et la chaleur dégagée alimente la réaction de vaporeformage qui elle est endothermique et se déroule en deux phases produisant du CO2 comme vu précédemment.Partial oxidation of natural gas is a process that brings together CH4 and a controlled amount of O2 in order to obtain CO. This exothermic reaction eliminates the need for a burner and the heat released feeds the steam reforming reaction which is endothermic and takes place in two phases producing CO2 as seen above.
Le reformage autotherme est une combinaison des deux précédents puisque le carburant est mélangé avec de l'air ou mieux de PO2pur et H2O.Après un délai de mise en service, le reformer passe en fonctionnement d' autoalimentation énergétique. C'est le procédé envisagé dans les applications automobiles pour un reformage embarqué. Mais comme ces prédécesseurs, il produit CO2 et H2.The autothermal reforming is a combination of the two previous ones since the fuel is mixed with air or better of PO2pur and H2O. After a delay of putting into service, the reformer goes into self-energizing operation. This is the process envisaged in automotive applications for on-board reforming. But like these predecessors, it produces CO2 and H2.
La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau ne rejette pas de CO2 pour autant que l'électricité nécessaire à son application soit produite par une centrale qui ne rejette pas de CO2. Seul le prix du Kwh et le rendement de cette application écologique en entravent le développement.The production of hydrogen by electrolysis of water does not release CO2, provided that the electricity necessary for its application is produced by a power station which does not release CO2. Only the price of Kwh and the yield of this ecological application hinder its development.
La production d'hydrogène par le reformage des gaz résultant de la gazéification de la biomasse ,produira aussi du CO2. Selon la théorie en vigueur actuellement, cette production de CO2 ne pourra jamais être supérieure à la quantité de CO2 absorbée pendant la vie de cette biomasse ou que la biomasse de remplacement absorbera au cours de sa vie. Le problème vient du fait que le rejet de CO2 se fait maintenant alors que la biomasse de remplacement aura besoin de toute sa vie pour l'absorber.The production of hydrogen by the reforming of gases resulting from the gasification of biomass will also produce CO2. According to the theory currently in force, this production of CO2 can never be greater than the quantity of CO2 absorbed during the life of this biomass or that the replacement biomass will absorb during its life. The problem is that the CO2 is now being released while the replacement biomass will need its entire life to absorb it.
En l'absence d'une électrolyse vraiment économique et efficace, nous sommes contraint d'adapter les reformages existants à la transformation non seulement du CO2 qu'ils produisent mais aussi à du CO2 d'origines étrangères.In the absence of a truly economical and efficient electrolysis, we are forced to adapt existing reformings to the transformation not only of the CO2 they produce but also to CO2 of foreign origins.
Ce nouveau procédé s'inspire du reformage autotherme en l'adaptant au problème posé par l'arrivée du CO2 provenant de l'extérieur, soit du traitement des déchets soit du CO2 rejeté par l'industrie. Comme dans le reformage autotherme, nous injectons ensemble CH4, H2O et O2pur dans les proportions adéquates et en présence des catalyseurs appropriés, ce qui donne :This new process is inspired by autothermal reforming by adapting it to the problem posed by the arrival of CO2 from outside, either from waste treatment or from CO2 released by industry. As in autothermal reforming, we inject together CH4, H2O and O2pur in the appropriate proportions and in the presence of the appropriate catalysts, which gives:
Réacteur 1 à 900°CReactor 1 at 900 ° C
4CH4+ 1/2O24- 3H2O =CH4 + 1/2O2 +3CH4 + 3H2O
= CO + 2H2 + 391000Cal + 3CO + 9H2 - 3qCal = 4CO + 11H2 + ( 391000 - 3q )Cal Sortant du réacteur 1, mélange qu'il faudra refroidir à 300°C Réacteur 2 injection de 4H2O + CO2* CO2* représente le CO2 extérieur4CH4 + 1 / 2O24- 3H2O = CH4 + 1 / 2O2 + 3CH4 + 3H2O = CO + 2H2 + 391000Cal + 3CO + 9H2 - 3qCal = 4CO + 11H2 + (391000 - 3q) Cal Leaving reactor 1, mixture which must be cooled to 300 ° C Reactor 2 injection of 4H2O + CO2 * CO2 * represents the Outdoor CO2
4CO + 11H2 + 4H2O + CO2* 4CO2 + 4H2 + 11H2 + CO2* 5CO2 + 15H2 Sortant du réacteur 2, mélange qu'il faudra refroidir Réacteur 34CO + 11H2 + 4H2O + CO2 * 4CO2 + 4H2 + 11H2 + CO2 * 5CO2 + 15H2 Leaving reactor 2, mixture to be cooled Reactor 3
5CO2 + 15H2 = 5CH3OH + 5H2O + 340KJ A refroidir pour séparer CH3OH et H2O.5CO2 + 15H2 = 5CH3OH + 5H2O + 340KJ Cool to separate CH3OH and H2O.
Une méthode un peu particulière pourrait aussi trouver une application dans la transformation des rejets de CO2 en méthanol. Le gaz de cokerie est généralement constitué de CO et H2 dans une proportion deA somewhat particular method could also find an application in the transformation of CO2 emissions into methanol. Coke oven gas generally consists of CO and H2 in a proportion of
3,5% de CO et 62,5% de H2 .11 contient aussi 20% de CH4 et 2% de CO2 et 0,5% O2. Cette composition chimique donne :3.5% CO and 62.5% H2 .11 also contains 20% CH4 and 2% CO2 and 0.5% O2. This chemical composition gives:
Gaz de cokerie 20 moles de CH4 + 0,5 moles de O2 + 9,5 moles O2ext.Coke oven gas 20 moles of CH4 + 0.5 moles of O2 + 9.5 moles O2ext.
320grs CH4 + 16grs O2 + 304grsO2ext = 560grsCO + 80grsH2 Contenu dans le gaz 3,5moles de CO ou 98grsCO320grs CH4 + 16grs O2 + 304grsO2ext = 560grsCO + 80grsH2 Contained in the gas 3.5moles of CO or 98grsCO
Total = 658grsCo + 80grsH2 si nous faisons réagir avec H2O qui est une réaction exothermique, il vientTotal = 658grsCo + 80grsH2 if we react with H2O which is an exothermic reaction, it comes
658grs CO + 80grsH2 + 423grsH2O = 1034grsCO2 + 127grsH2658grs CO + 80grsH2 + 423grsH2O = 1034grsCO2 + 127grsH2
Contenu dans le gaz 66grsCO2 + 125grsH2 Soit un total de 1 lOOgrs CO2 + 252grs H2Contained in the gas 66grsCO2 + 125grsH2 For a total of 1 lOOgrs CO2 + 252grs H2
Si nous ajoutons le CO2* à concurrence de 748grs il vient : 1848grs CO2 + 252grsH2If we add CO2 * up to 748grs it comes: 1848grs CO2 + 252grsH2
1848grsCO2 + 252grsH2 = 1344grsCH3OH + 756grsH2O 42 moles CO2 + 126 molesH2 ≈ 42 molesCH3OH + 42 molesH2O Soit CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O1848grsCO2 + 252grsH2 = 1344grsCH3OH + 756grsH2O 42 moles CO2 + 126 molesH2 ≈ 42 molesCH3OH + 42 molesH2O Or CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O
Ou 5CO2 + 15H2 = 5CH3OH + 5H2O + 340KJ à séparer dans un condenseur Le CH3OH n'est pas plus polluant que le gaz naturel, en effet
CH3OHliq + 3/2O2 = CO2 + 2H2O + 1515,9Kj CH4gaz + 2O2 = CO2 + 2H2O + 2400KJ Par un préchauffage, au sein du four, on obtiendraOr 5CO2 + 15H2 = 5CH3OH + 5H2O + 340KJ to be separated in a condenser CH3OH is no more polluting than natural gas, in fact CH3OHliq + 3 / 2O2 = CO2 + 2H2O + 1515.9Kj CH4gaz + 2O2 = CO2 + 2H2O + 2400KJ By preheating, in the oven, we will obtain
CH3OHgaz + 3/2O2 = CO2 + 2H2O + 2400KJ
CH3OHgaz + 3 / 2O2 = CO2 + 2H2O + 2400KJ