WO2009047284A1 - Dispositif d'injection de charge liquide a melanger/convertir au sein d'un dard plasma ou d'un flux gazeux - Google Patents

Dispositif d'injection de charge liquide a melanger/convertir au sein d'un dard plasma ou d'un flux gazeux Download PDF

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WO2009047284A1
WO2009047284A1 PCT/EP2008/063516 EP2008063516W WO2009047284A1 WO 2009047284 A1 WO2009047284 A1 WO 2009047284A1 EP 2008063516 W EP2008063516 W EP 2008063516W WO 2009047284 A1 WO2009047284 A1 WO 2009047284A1
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plasma
liquid
injectors
flow
jet
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Application number
PCT/EP2008/063516
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Méryl BROTHIER
David Guenadou
Patrick Gramondi
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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Priority to BRPI0818638 priority patent/BRPI0818638A2/pt
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Priority to AT08805166T priority patent/ATE544321T1/de
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
    • F23G5/085—High-temperature heating means, e.g. plasma, for partly melting the waste
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/10—Liquid waste
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/12—Sludge, slurries or mixtures of liquids

Definitions

  • the present invention relates to the field of liquid injection systems in the plasma torch stinger.
  • liquids to be converted in a torch are examples of bio-oils, or sludge treatment plant, or "slurry" or particles resulting from the spraying of a solid, these particles being mixed with a liquid for injection into the stinger of a plasma torch.
  • the bio-oil In the case of the bio-oil, this is obtained by flash pyrolysis, which is a thermochemical process (at a temperature T ⁇ 500 ° C.) in which the biomass is heated rapidly under a stoichiometric oxygen deficiency. Under the influence of heat, the biomass decomposes and leads to the formation of permanent gases, condensable vapors, aerosols and carbon residues. After cooling and condensation of volatile compounds and aerosols, one typically gets a dark brown liquid, the bio-oil. This is then gasified by injection into a plasma torch.
  • Pretreatment of the bio-oil makes it possible to inject biomass into a plasma torch stinger to gasify it. Indeed the biomass would be, without this pretreatment step, heterogeneous, difficult to disperse (at least without expensive preliminary grinding) and difficult to inject under pressure because solid. Furthermore, in terms of the cost of transporting biomass to the gasification plants, flash pyrolysis pre-processing can be advantageous.
  • a good balance is sought between the various parameters influencing the reaction, in particular the residence time of the liquid in the plasma dart, the plasma dard temperature, the exchange surface between the reagent and the plasma medium and the composition of the medium.
  • the plasma dart resulting from a plasma torch has as its main characteristics a high temperature (from 5000 to 7000 K), a high flow rate (800 to 1200 m.s s -1 ) and a high viscosity. With such characteristics, the particles that we try to introduce into the heart of the dart tend to bounce on the latter.
  • a first family includes injection methods based on the prior nebulization of the liquid before injection into the plasma dart.
  • This type of solution favors the exchange surface between the reagent and the plasma medium, as in patent FR 2,565,992.
  • the implementation of this process is carried out by means of a device making it possible to introduce the pulverized material in such a way that concentric around the hot gas flow using a carrier gas. It is conferred on plasma gas a rotary motion in the plasma generator for turbulence in the concentric flow spray material, wherein the hot gas stream warms the mixture.
  • a second family concerns injection methods based on mixing forcing.
  • the plasma can pass through a channel pierced with injection holes thus forcing the injected liquid to enter the plasma dart.
  • Various documents evoke this technique for example the documents FR 1 509 436 or US 5 906 757.
  • the plasma jet is forced to circulate in a tube provided with an increase in diameter, thereby creating a relaxation of the plasma jet in the growth zone and therefore a turbulence zone in the plasma.
  • the liquid is injected into this zone and forms an annular annular ring or cylinder around the plasma dart.
  • the plasma is circulated in a tube provided with at least one radially disposed injector, which makes it possible to inject the liquid with a tangential component in the plasma.
  • This type of solution favors the residence time because the liquid is injected at the periphery of the plasma dart, where the flow velocity of the plasma is lower (of the order of 100 m / s compared to the speed at the heart of the dart which can exceed 500m / s.) Nevertheless this solution generates energy losses due to heat transfer with the walls of the channel. In addition, this solution does not force the liquid to penetrate deep into the plasma plume, not making it possible to benefit from the temperature effect or the reactive species constituting the heart of the plasma plume.
  • a third family includes injection methods using several plasma torches.
  • An embodiment of this method is mentioned in document CA 2 205 578.
  • the principle of this method is to trap a jet of reagent in a confluence of at least two plasma jets, the confluence point of the plasma jets lying on the injection axis of the reagent.
  • This type of solution allows the injection of the liquid directly in the depth of the plasma dart. In this case it is the temperature that is favored because takes advantage of the high temperatures prevailing at the heart of the plasma dart.
  • a last family includes injection methods using an intermediate piece located in the plasma torch.
  • a device for shaping this hot gas flow is placed on the path of the hot gas flow and the fluid material is brought to a nozzle, thus creating a flow of fluid material whose direction is similar to the direction of the hot gas flow, as described in patent FR 2,614,751.
  • the fluid is injected directly into the heart of the hot gas flow, the particles to be converted thus being trapped in the hot gas flow. given the high viscosity of it.
  • This method makes it possible to benefit from the temperature and the residence time in the plasma dart thanks to the possibility of counter-current injection of the plasma flow.
  • the part must be cooled for its mechanical resistance because of high temperatures (causing thermal losses), cooling and also disturbing the plasma. In addition risks of clogging can occur in the starting or stopping phases due to the temperature level at the nozzle.
  • the injectors of the same group of injectors Gi may be placed around the periphery of the plasma flow zone, with an angular spacing of 360 ° / (nl) relative to each other. They are preferably arranged so as to achieve a confluence of the jets of liquid that they inject into the plasma. They are not in direct contact with the stinger or with a plasma flow area.
  • At least one injector may comprise a helical inner profile, so as to communicate to the fluid a component of rotational movement that can promote the dispersion of the liquid impact at the heart of the plasma dart.
  • At least one injector may comprise piezoelectric means for splitting the injected liquid.
  • a device according to the invention may comprise N groups of injectors (N> 1) arranged along of the plasma flow axis, injectors of different groups of injectors having angles of incidence different from the axis of flow of the plasma. This arrangement allows a better distribution in the plasma of the liquid charge to be treated.
  • the further a group of injectors is away from the base of the plasma dart, the lower its angle of incidence relative to the axis of flow of the plasma is low.
  • a device according to the invention may furthermore comprise means for injecting, in at least a portion of the injectors, trains of pulsed liquid jets or liquid jets, for example at oscillating pressure (variable as a function of time).
  • one or more of the injectors each further comprises a steam injection nozzle for injecting a jet of steam simultaneously with the jet of liquid.
  • a device according to the invention may further comprise means for pressurizing the liquid charge to be converted.
  • the pressure of certain jets can be modified so that, in particular in certain configurations of the jets, it is possible to adjust the injection angle of the jets whose accuracy is modified.
  • Means for preparing an injection liquid may further comprise means for spray the aqueous phase before it is injected.
  • a device according to the invention may furthermore comprise optical means for controlling the injection quality and possibly adapting the injection parameters of the liquid charge to be converted to changes in the plasma dart.
  • means can be provided to adapt the injection of the liquid feedstock to be converted to changes in the plasma dart.
  • the n injectors of the same group of injectors may be arranged around the plasma flow area, with an angular difference of 360 ° / n relative to each other. They are preferably arranged so as to achieve a confluence of the jets of liquid that they inject into the plasma.
  • a device and a method according to the invention are particularly applicable to a liquid of the bio-oil type, or to a sludge of purification plant, or to a mixture of solid particles and a liquid.
  • Part of the heat released by the plasma can be recovered by the injector support and then transferred, by conduction, to the liquid passing in the injectors. It is advantageous to inject, in at least a portion of the injectors, pulsed liquid jet trains or liquid jets, for example whose injection pressure varies periodically.
  • a jet of steam is injected into at least a portion of the liquid jets, a jet of steam simultaneously with the jet of liquid.
  • the liquid can be separated beforehand between a first portion, vaporizable at relatively low temperature (of the order of about 80 to 150 ° C.) and a second, heavier part, to be injected into the plasma in liquid form.
  • An addition of water in the liquid to be injected can also be performed, in order to optimize the conversion reaction of the liquid to be treated.
  • a vapor layer is formed outside the plasma dart.
  • the jets of liquid of the n injectors of the same group of injectors are preferably confluent in the plasma, the zone of confluence of the jets being advantageously located substantially on the plasma flow axis.
  • the angle of injection of at least one jet into the plasma can be modified, for example by varying the fluid pressure in this jet.
  • the quality of the injection of the liquid jets for example by means of the optical type; and / or the quality of the plasma at the exit of the torch;
  • the composition of the charge and / or the operating conditions of the plasma may be desirable to be able to adjust, if necessary, the composition of the charge and / or the operating conditions of the plasma. For example one may wish to adjust the phase shift between the period of a pulse of the plasma plummet and the period of a pulse of the injection.
  • FIG. 1A is an example of a detailed embodiment of a device according to
  • FIG. 1B is an example of a detailed embodiment of a system according to the invention.
  • FIGS. 2A to 4 are examples of injectors profiles used in a device according to the invention.
  • FIGS. 5 and 6 illustrate the problems of crossing the plasma jet by a jet of liquid (in the case of excess of momentum of the liquid jet) and the case of a lack of momentum of the liquid jet not allowing the penetration of the plasma dart.
  • FIG. 7 represents a maximum splitting impact of jets that confluence at almost 90 ° just before the impact.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate the impact of jets with non-orthogonal confluence inducing the formation of liquid sheets.
  • FIG. 9 represents a configuration comprising several injector sections along the axis of the plasma torch.
  • FIGS. 10A to 10C show the injection into pulses of trains of liquid jets to minimize the risk of saturation of the plasma jet.
  • FIG. 11 shows a possible positioning of a set of 3 pairs of injectors along the axis of the plasma torch and along two axes perpendicular to each other.
  • FIG. 12 represents a profile of the heat exchange coefficient at the wall as a function of the axis xx 'of the plasma flow, as well as the plasma dart and portions of the wall.
  • - Figure 13 shows schematically the positioning of an injector and a steam injection nozzle.
  • FIG. 14 illustrates the constitution of a water-rich vapor boundary layer at the edge of the plasma dart to prevent the formation of soot.
  • FIG. 15 represents a typical illustration of a phase diagram of the type of the water-bio-oil system.
  • FIG. 16 represents one of the optical interfaces of the reactor, allowing the diagnosis of injection by optical measurement.
  • FIG. 17 shows in detail the distribution of a set of three pairs of injectors, brought into the same plane, along a plasma flow axis.
  • FIG. 18 schematically represents elementary volumes of the plasma dart for estimating the degree of occupancy of the stinger by the liquid charge to be converted.
  • FIG. 19 shows the formation of a liquid web by confluence of two liquid jets.
  • FIG. 20 shows the evolution of the radius (r) of the fluid layer as a function of the angle ⁇ and the angle of incidence of the jets ( ⁇ ).
  • FIG. 21 represents an example of the fluctuation of the electric arc within the plasma torch, by the temporal tracking of the voltage at the level of the electrodes of the torch.
  • - Figure 22 schematically shows the distribution, on the circular section around a plasma dart, three liquid injectors.
  • Figure IB includes such a device with additional peripheral means, described below.
  • the references 30, 31 denote electrodes between which an electric discharge is produced. At the same time, the passage of a plasmagenic gas between these electrodes leads to the formation of a plasma dart 3.
  • Electrode supply means are designated by the reference 32.
  • a support system 2 for positioning and maintaining liquid injectors to be treated.
  • a cavity 2 'formed in this support flows the plasma dart substantially along an axis B designated hereafter as the plasma flow axis.
  • the cavity 2 ' is of substantially cylindrical shape and the axis B is cylindrical axis of symmetry of this cavity. But other shapes can be chosen for this cavity.
  • In this support 2 are arranged at least two injectors, forming a group of two injectors.
  • N groups Gi of injectors (NXJ 1 , but, in general, N £ 15 or ⁇ 20) which are arranged in this support, each group G 1 comprising at least two injectors, and, more generally, neither ( nor> 2) injectors.
  • the N groups of injectors are arranged along the axis of flow of the plasma. The arrangement of these injectors is described more precisely below.
  • FIG. 1A diagrammatically shows 4 liquid injectors designated by the references Ib, Id, Ib ', Id'. There are therefore in fact two groups G1 and G2 each of which are two liquid injectors. There are also 4 other injectors, or nozzles, Ic, Ic ', Ic which, as explained below, allow the separate injection of steam, each of them in cooperation with the engine. one of the injectors Ib, Id, Ib ', Id'.
  • the injectors Ib, Id, Ib ', Id' of liquid are directed towards the zone in which the plasma dart 3 must be formed, so as to inject the liquid with a movement having a component in a direction A (see arrow A on the FIGS. 7, 8, 9, 10A-C,
  • the injectors are here arranged in groups of two or in pairs, each pair, or the outlet orifices of these injectors (orifices through which the material to be treated is ejected towards the plasma), forming an axis II ' (see Figure 7) substantially perpendicular to the axis or to the flow direction B of the plasma, the two injectors of each pair being arranged substantially diametrically opposite on the periphery of the support 2 and being directed towards the zone in which the plasma 3 is formed.
  • a group Gi of injectors comprises three injectors - and more generally no injectors - these, or their orifices, are disposed substantially in the same plane perpendicular to the plasma flow axis (in FIG. would be a trace plane I-I ', perpendicular to the plane of the figure and the axis B). They are then preferably arranged substantially at 120 ° - and more generally at 360 ° / n - from each other (see, for example, FIG. 22 which represents a schematic sectional view of an injection support 2, perpendicularly to the plasma flow axis B with a group of 3 injectors Ib, Ib ', Ib' 'in the same plane, at substantially 120 ° from each other).
  • angles, with respect to the plasma flow axis B, of the liquid projection axes at the outlet of the injectors of the same group of injectors, or the output axes of the injectors of this group - injectors which are arranged substantially diametrically opposite with respect to the axis of flow of the plasma in the case ni 2 - on the periphery of the support 2 (see injectors Ib and Ib 'of Figures IA, IB, 7, 8, 10A - 10C) are substantially equal to each other (in absolute value).
  • the device comprises three pairs or groups G1, G2, G3 of injectors, Ib, Ib ', Id, Id', If, If arranged along the axis B, on 3 different axes but perpendicular to the axis B.
  • the angles, with respect to the axis B of plasma flow, the axes of projection or output of injectors of the same group are substantially equal in absolute value.
  • the angle of the axis of each of the injectors Ib, Ib '(group Gl) with the axis B is equal to ⁇ / 2
  • the angle of the axis of each of the injectors Id , Id '(group G2) with the axis B is equal to ⁇ / 4
  • the angle of the axis of each of the injectors If, If (group G3) with the axis B is equal to ⁇ / 6.
  • the angles that make the axes of projection or output of these injectors, located in this same plane, with the axis of propagation of the plasma, are equal or substantially equal to each other, or the angles that make the directions of incidence of the jets of the injectors of this group penetrating into the plasma, with the axis of propagation of the plasma, are equal or substantially equal to each other.
  • the injectors of FIG. 17 have been represented in the same plane (that of the figure), but are preferably rather arranged as indicated in FIG.
  • FIG. 11 thus distinguishes three groups of injectors, Gl, G2, G3 and all the angles between the projection axes and the plasma flow axis are substantially equal to 90 °; the angle at the apex of the cone formed by the injectors and the point of convergence on the axis of flow of the plasma is then equal to substantially 180 °.
  • the injectors of the same group by their positioning in the support 2 and their orientation, allow to impose a confluence of jets (continuous or discontinuous), ensuring each of them to rely on the other (s) to split at the axis of propagation of the plasma dart.
  • the resulting amount of movement of the confluent jets is found, in large part, in the opposite direction to the flow B of the plasma dart. This makes it possible to ensure an increase in the residence time of the material to be converted in the stinger, as well as an optimal secondary fractionation induced by the plasma sting.
  • the secondary fractionation induced by the plasma jet is a function of the relative velocity between the dart and the fluid to be converted: the opposite directions, on the one hand, of the liquid, and on the other hand of the flow of the plasma, ensure a optimization of this relative speed.
  • the injector-entry distance in the plasma dart (which may be indicative of the order of 10 times (or more) the diameter of the stinger) makes it possible to ensure a flight time of the jet before the entry into the dart which completes the heating of the jet and allows if necessary to volatilize a fraction of the light species (having been able to remain in the injected liquid jet) that do not necessarily require high temperatures present in the heart of the plasma dart to be converted .
  • This makes it possible to optimize the jet presence time in the stinger and to use the plasma stinger specifically for species that are particularly refractory to conversion.
  • the injectors arranged in the manner described above allow, as a function of the amount of movement available for each jet, to inject the liquid charge into the plasma dart 3 (or into the dense hot flow) so as to pass through it completely. 'to the flow axis of the plasma, and so that the jets meet substantially on this axis and rely on each other during this meeting, which increases their splitting. This avoids the situation, illustrated in FIG. 5, of partial crossing of the plasma jet by the jet, without it being possible to arrive on the axis without a significant spray, or even the situation of non-penetration of the plasma by the jet ( Figure 6). In the case of FIG. 6, the jet 10 of liquid is broken by the simple contact with the edges of the plasma 3. In FIG. 17 are represented the three points A1, A2, A3 (all three located on the axis B of FIG. flow of plasma), jets meeting different groups of injectors.
  • Figures 8B and 19 also show in more detail the formation of a liquid web 13 by confluence of two jets 10, 10 '.
  • the point or zone of confluence located on the plasma flow axis, forms the apex of a cone whose generatrices are also constituted by an imaginary line connecting the zone or the confluence point and the orifice of output of each of the injectors whose jets are found at this point or in this confluence zone, so each of the injectors of the same group of injectors.
  • the half-angle at the apex of the cone is equal to the angle formed between the direction of injection of each liquid injector and the flow of the plasma, or at the angle formed by the direction of the incident jet at the confluence point and the axis of flow of the plasma.
  • the group of injectors Id, Id ' forms, with the point A2 of the confluence of the jets of these two injectors, a cone whose vertex is precisely the point A2.
  • Each of the straight lines ⁇ 2, ⁇ '2, which connects this point to the outlet orifice of one of these two injectors forms a generatrix of the corresponding cone.
  • the group of injectors If, If forms, with the point A3 of confluence of the jets of these two injectors, a cone whose apex is the point A3.
  • Each of the straight lines ⁇ 3, ⁇ '3, which connects this point A3 to the outlet orifice of one of these two injectors forms a generatrix of the corresponding cone.
  • the confluent jets are atomized directly within the plasma, benefiting from the impact between the jets, the shearing effect due to the flow of the plasma, and the highest temperature (that of the core of the plasma). plasma) and reactive species.
  • the confluence of the jets makes it possible to overcome a problem, namely the optimization of the momentum for introducing the liquid into the heart of the plasma dart. Indeed, it suffices to give enough momentum to the jet so that it can penetrate the dart, but without the risk that the jet crosses the dart in case of exceeding, even limited, the limit momentum (which is almost equivalent, at least in order of magnitude, to that of the plasma dart ). This gives an additional degree of freedom and a double level of fractionation (ie that due to the plasma (difference in velocity between the liquid and the dart) and that due to the impact) while allowing to achieve a compromise between the reaching the high temperatures of the plasma and the residence time of the liquid within the stinger.
  • the length h (FIG. 5) of the continuous jet penetrating the plasma dart and not subjected to fractionation is: on the one hand, the function (in order of magnitude) of the square root of the ratio (denoted q) of the quantity of movement of the liquid jet 10 to that of the plasma dart 3; preferably, q is greater than 1, more preferably greater than 2, - on the other hand, depending on the injection angle (denoted by ⁇ , this is the angle between the flow axis of the plasma and jet directions),
  • the degree of saturation can vary according to the nature of the stinger and the physicochemical properties of the charge to be treated (volatility, surface tension, etc.).
  • a local charge rate of less than 1% makes it possible to preserve the risk of saturation of the also aware that there is a factor of at least 1000 between the volume occupied by a liquid and the one occupied by its vapor when it vaporizes).
  • FIGS. 10A-10C This situation is represented in FIGS. 10A-10C, on which only two injectors Ib, Ib 'are represented, first as each emitting a jet of material; this material 3 'will be located, initially, in a zone situated in front (FIG. 10A) of the plasma 3, then driven in the direction of flow of the plasma, while the injectors no longer emit material ( Figure 10B); when the injectors each emit a new jet of material 3 '' it is first located in an area upstream of the plasma (FIG.
  • the time between the end of one liquid injection pulse and the beginning of the next is then preferably at least the time of displacement of the elementary plasma volume; in other words, it is sought to inject, into the plasma, a volume of liquid allowing a sufficient renewal of the injection zone in the plasma, to admit a new injection pulse.
  • the flow rate of the gas stream is generally very important (case of a plasma dart).
  • means can be provided for injecting a vapor, as illustrated in FIGS. 1A, 13 and 14, where injectors or nozzles Id, Id 'of steam are arranged each to inject a jet of steam 100, 100 'in a direction forming an angle ⁇ with the direction of injection 10, 10' injectors Ib, Ib 'of liquid charge.
  • This injection of steam makes it possible to provide an additional degree of freedom over the resulting injection angle between the liquid jet and the plasma jet.
  • the point or the confluence zone AO located on the plasma flow axis B, forms the apex of a cone whose generatrices are moreover constituted by the directions D1 and D2 of the incident jets. confluence point.
  • the injected gas may advantageously be the easily volatilizable part (at a temperature of for example between 80 and 150 ° C. approximately) of the liquid to be converted (that is to say the part which does not necessarily have a priori need of be injected into the plasma for vaporization or conversion). This fraction is by nature (since it consists of light elements) less subject to the phenomenon of coking.
  • the quantity of this vaporizable aqueous part may also optionally be adjusted with an additional water injection in order to guarantee the complete gasification of the bio-oil in the event of oxygen and hydrogen deficiency, in particular due to a specific composition of the bio-oil.
  • the bio-oil for an average gross formula (CHi, 9 Oo, 7), requires an equivalent amount of water of 0.3 mole per mole of bio-oil, to be completely gasified according to the formula :
  • a fractional injection injection of the volatile part in the form of vapor and the part not vaporized in liquid form in the plasma
  • it is injected into the plasma plume only what must be converted, the vaporizable part outside the plasma being advantageously used in another way.
  • the steam blowing optionally allows the liquid filler to be preheated prior to entering the plasma. It also makes it possible to minimize the presence of soot (solid phase resulting from the bad gasification of the liquid charge) at the end of the sting 3. Indeed, the water vapor, not having a sufficient amount of movement compared to that 3 to penetrate plasma, it will be recirculated, as shown in Figure 14, by driving induced by the plasma plume 3, which will constitute a steam layer 11, 11 'rich in water. limit of the plasma dart.
  • the references 110, 110 ' designate a cloud of circulating vapor accumulated on each side of the plasma due to the injection of steam, and from which the layers 11, 11' will be formed. Soots form very quickly (formation rate less than one thousandth of a second) by involving growth and aggregation phenomena, so it is interesting to sheath the plasma sting by these zones 11, 11 'rich in water vapor to limit this formation of soot relatively refractory to gasification once they have reached penalizing sizes (may exceed one micron) in terms of gasification time.
  • the composition of the plasmagenic gas can be controlled at the level of the injection into the plasma formation electrodes 3b (FIG. 1A).
  • the liquid injectors Ib, Ib ', Id, Id' may have for example profiled openings, whose opening 12, of diameter or maximum dimension ⁇ , allows both not to be subjected to inadvertent plugging due to the presence of fines in the liquid to be injected, but also guarantees a satisfactory distribution of the flow within the plasma dart at their end.
  • Such an injector is shown schematically in Figures 2A and 2B, for illustrative purposes, in section and in front view.
  • the opening 12 is not symmetrical with respect to a direction defined by the extension axis DD 'of the injector. This opening directs or deflects the fluid towards one of the sides of the axis DD '.
  • the inner wall of these outlets may also comprise a helical thread 120, as illustrated in FIG. 4, enabling a quantity of rotational movement to be impelled to the fluid, which has the consequence of making it possible to increase the fractionation of the latter within This option allows to inject continuous or discontinuous jets.
  • the injectors which can then be of the type described above, or even straight outlets, can be equipped with elements piezoelectric devices to vibrate the injector and to fractionate the liquid.
  • This option makes it possible to inject discontinuous jet trains. More generally, a fractionation can be promoted by the use of appropriate phasing between the pulsation of the plasma dart due to the movement of the electric arc within the plasma torch and the pressure pulsations of the jet of liquid to be converted.
  • Means for pressurizing the charge to be converted make it possible to ensure the injection speed and therefore the amount of movement of the fluid to be injected.
  • These means may allow adjustment of the pressure and may be controlled for example by means 7a ( Figure IB) microprocessor type.
  • the jet travel time before its confluence with another jet (this time decomposing between the flight time before penetration into the sting and the duration of travel within the sting). This time makes it possible, if necessary, to raise the temperature of the fluid and thus, by reducing the induced viscosity, to increase its fractionation during the impact of the jets.
  • the present invention makes it possible to optimize the injection of the liquid feed so that the physical phenomena (in particular fractionation and evaporation) are optimized.
  • Fragmentation the characteristic time for 1 droplet evaporation and residence time (after impact).
  • the equilibration time of the droplets is relatively long compared to other phenomena, but it is not necessary to seek at all costs for this equilibrium operation to intervene (the hydrodynamic equilibrium in fact, the fact that all the shear potential of the dart has been used, the relative plasma / liquid velocity being zero as soon as this equilibrium occurs).
  • the means or device forming the injector support 2 contribute to the proper positioning and maintenance of the latter. These means are integral with the torch.
  • Two groups of injectors Gi and Gj (i ⁇ j) different may have a number of injectors ni and nj different from each other.
  • the injector support surrounding the plasma dart has an annular shape that can be divided by section (2a, 2b, 2c) in order to obtain a degree of freedom as to the angles between the different injection planes (a group of two injectors form a plane (injection plane) with the confluence point of the two jets from these injectors) as can be visualized for the case of Figure 11 where these planes are alternately perpendicular to each other.
  • Each group of injectors in Figure 11 has two injectors. These two injectors also define an axis, perpendicular to the plasma flow axis B, but also a plane, with the point of convergence.
  • the support makes it possible to maintain the temperature of the liquid to be injected, in particular to control the viscosity thereof and to complete a preheating that may have occurred in upstream during a possible charge preparation step, as explained below.
  • the liquid being thus, before injection, already brought to a temperature close to the conversion temperature, the residence time in the heart of the plasma dart is optimized, because used not (or little) to heat the liquid, but rather to convert it quickly after splitting.
  • the material of the support and / or of the injector may be of refractory type while allowing sufficient heat transfer to allow a heat transfer that can ensure a preheating of the liquid to be injected, without inducing temperatures. superficial injector support too high for these or coking risks of the charge to be injected.
  • references 2a, 2b, 2c designate three sections of the support 2 of the injectors. These three sections are, during operation of the torch, arranged around the plasma dart 3.
  • the section 2c, which corresponds to the end of the plasma dart 3, is the one with respect to which the heat exchange coefficient is at its maximum. , as shown on the upper part of Figure 12.
  • Part of the support 2 of injectors can therefore be used to recover a portion of the heat from the plasma plume 3. This recovered heat can then be transferred, by conduction, to the liquid passing in the injectors. This means of preheating the liquid makes it possible to reduce its viscosity, it therefore becomes more fluid and will be better fractionated in the plasma. If necessary, in case of excessive thermal stress at the peak of the exchange coefficient, the section 2c can be offset downstream of the plasma flow.
  • the device of Figure IA may include various additional peripheral means. Such means are shown schematically in FIG. 1B.
  • Means 4 may thus be provided to prepare the liquid charge and to put pressure and / or temperature the liquid to be injected by the injectors into the dart 3 of the plasma.
  • means 5, 5a, 5b may be provided to perform a control of the quality of the injection.
  • Means 6 may allow tracking of the pulsation of the plasma torch with which the battery of injectors is associated.
  • Data processing means 7a, 7b make it possible, from data corresponding to various measurements made on the system, for example from data supplied by the means 5a, 5b, 6 to readjust, if necessary, the composition of the charge and / or operating conditions of the plasma. For example, these means make it possible to adjust, for example to minimize, the phase shift between the period of a pulse of the plasma dart 3 and the period of a pulse of the injection.
  • the means 4 for preparing (pressurizing and in temperature) the charge comprise, for example: a reservoir 4a of buffer reserve of the raw liquid charge, a water tank 4b (this may be water loaded with organic residues resulting from the treatment of effluents),
  • a reservoir 4c for demixing or adjusting the water content for demixing or adjusting the water content (so that the conversion reaction can be total from a stoichiometric point of view).
  • a decanter 4d allows the coarse separation of phases from the demixing of the raw liquid, if the latter is possible.
  • the heavy phase can advantageously be injected into the heart of the plasma dart, out of the plasma torch (the most possible porch of the base 33, see Figure 17 and 18) to benefit, at best, from the optimizing zone fractionation, while the lighter phase (and easier to convert a priori), can be injected plasma tail dart or steam at steam injection nozzles (like the nozzles la, la 'in the figure 13), also making it possible to create an additional degree of freedom as to the injection angle of the liquid charge to be converted.
  • Filters here two in number
  • separating means for example of the centrifuge type
  • a pump 4k makes it possible to recycle the undesired phase (for example the organic phase in the preparation zone of the aqueous phase) in the means 4d to carry out the decantation.
  • Means 4h make it possible to measure the water content at the outlet of the demixing tank 4c. Indeed, in order to control the demixing phenomenon, a measurement of the water content can be carried out (for example by a Karl Fischer measurement). It may also be known, by measurement of elemental composition, using the means 4i, upstream of the introduction of the organic liquid charge into the buffer volume 4c, the carbon, oxygen and hydrogen content of the charge to be converted. .
  • 4th means for supplying pressurized gas for example: nitrogen, or CO2, or methane or water vapor
  • pressurized gas for example: nitrogen, or CO2, or methane or water vapor
  • This gas may, at the exit of the injectors, begin to desorb and allow an adjustment of the composition of the medium (including oxidizing species).
  • This solubilization of a gas followed by its rapid desorption (due to the large temperature and pressure gradients) in the reactor core, but especially plasma dart allows to promote the fractionation phenomenon referred. Indeed, it is likely to cause the formation of gas droplets in the liquid to be converted which, under the effect of temperature will be prone, by micro-cracking to locally split the injected liquid.
  • the gas to be solubilized may represent a small mass relative to the liquid to be converted (unlike the vector gas nebulization). This leads to a fractionation of the liquid to be converted and also makes it possible to provide an additional reagent for the conversion of the latter.
  • Means 4g, 4g 'pressurizing the load to be converted to ensure its injection speed and therefore its momentum allow an adjustment of the pressure to maintain it, continuous or variable, according to a periodicity and a signal (sinusoidal pressure for example as a function of time) adapted to the flow of plasma dart; in particular one thus obtains a possibility to oscillate the injection pressure to adapt to the fluctuations of the plasma dart, as evidenced by, for example, the oscilloscope 6a.
  • a split solid distribution and surfactant system 4j optionally allows in situ formulation of a slurry-type filler.
  • a heat exchanger 4m also optional, makes it possible to vaporize the aqueous phase before it is injected, in order to form a vapor phase to be injected separately, as already explained above, for example by the nozzles 1a, 1a. , Ic, Ic 'of Figure IA.
  • heat can be recovered from a reactor cooling system and the electrodes of the plasma torch.
  • Means 4p, 4o allow control of the good separation (by settling) by measuring the density of the phases, to the right of the decanter 4d demixing.
  • the means 4i, 4h, 4o, 4p provide measurements to processor type means 7a for managing the preparation of the liquid to be injected.
  • the ducts 40, 41 which will respectively allow the liquid phase to be injected, and possibly the separated vapor phase, may be heated, for example by a heating cord, or else by hot gas recovered at the outlet of the torch 3 and injected into a tube. double envelope around the ducts.
  • a device may comprise means 5 for controlling the quality of the injection.
  • An example of these means is an optical diagnostic assembly 5a allowing, by image analysis through one or more portholes 51, 53, as shown more specifically in FIG. 16, to proceed with the diagnosis of the quality of the fragmentation.
  • Such an assembly comprises, for example, a high-definition camera 5b and a pulsed laser 5b 'for illuminating and visualizing the position or the displacement of the droplets of liquid charge within the dart.
  • a system of filters 55 associated with the camera 5a and adapted to the nature of the plasma gases, makes it possible to overcome the emissivity of the plasma and to distinguish the droplets of liquid illuminated by the laser beam.
  • a neutral sweeping gas (nitrogen in FIG. 16) makes it possible to avoid a deposit of soot on the porthole 51.
  • a second example of these means is a diagnostic assembly 5c allowing, on leaving the reactor (or even on different sides inside the reactor, if the residence time of the gases in the latter is too great) to follow the composition of the permanent gases. From the data obtained by these measurements, we can deduce a first order of magnitude of the performance of the injection level.
  • Means may also be provided to adapt the injection of the liquid charge to be converted to possible modifications of the plasma dart, and in particular to possible variations in the pulsation of the torch.
  • the stinger from a blown arc plasma torch may be subject to pulsations due to the instabilities generated, especially during the rupture and regeneration of the electric arc inside the torch head.
  • These modifications are relatively periodic and can be followed indirectly by the continuous recording of the voltage across the electrodes 30, 31 (FIG. 1A), as illustrated in FIG. 21.
  • the periodicity of the pulsations of the stinger from the torch being relatively constant for a given torch and operating conditions, it is not necessarily useful (and in any case this is sometimes impossible because of the pulse frequency) to adapt the injection in real time to these pulses.
  • the diagnostic system is also connected to the processor 7a which regularly compares the parameters of periodicity and phase between the control of the injection and the stacks of the plasma stinger.
  • the plasma torch produces the plasma dart 3, in which the liquid injectors inject the charge to be converted.
  • Means for preparing the charge provide a charge adapted to the injectors.
  • Means of diagnosis of the quality of the injection make it possible to observe the fragmentation of the jets and to follow the composition of the permanent gases.
  • control means make it possible to monitor the pulsation of the torch.
  • the diagnostic means, the control means and the load preparation means send the information they have collected to means 7a, 7b of data processing.
  • these data processing means can control the load preparation means, in order to adapt the composition of the load according to the information collected.
  • the processing means also make it possible to control the pulses of the injectors with respect to the pulses of the plasma, for example to re-align them with respect to the latter.
  • This example implements an untransferred arc plasma torch, of 2 MW electrical power, for the optimized conversion of the bio-oil by the best injection of the bio-oil within the plasma dart.
  • the maximum capacity of the treatment system (Qmax) is close to 600 kg / h.
  • Qmax maximum capacity of the treatment system
  • Figure 17 gives, for a representation where the injectors would be in the same plane (that of the figure), the different notations for the positioning and the angles of the injectors; in particular :
  • R and L are respectively the radius of the plasma at its base, measured from the plasma flow axis, and the length of the plasma dart from the base,
  • ri denotes the length, measured on the plasma flow axis, of the fractionation zone or of the liquid layers, at the confluence of the jets,
  • H'i denotes the position on the plasma flow axis
  • the elementary volumes ⁇ vi defined as described in FIG. 18 then make it possible to define the occupancy rates of the liquid charge ( ⁇ i) for the elementary volumes encompassing the injection points.
  • the configuration for the desired embodiment can be that indicated in Table II, configuration for which it can be sought, during operation, the minimization of ⁇ (distance between two zones of occupation of the sting by the liquid material, see figure 18) and the adjustment of the ⁇ i (in the light of the diagnostic elements of the quality of the injection) by means of the driving parameters that are ⁇ i, Qi and qi:
  • ⁇ Qi ⁇ Qmax (Qmax total flow (defined as a function of the thermal power available in the plasma dart and the enthalpy of transformation of the charge (energy to convert the charge per unit mass), or here about 600 1 / h) ⁇ 1 and ⁇ 2 ⁇ 1%; q1 and q2 are both greater than 1.
  • the device constituting the present invention makes it possible, in order to ensure the best possible conversion of the charge, to find the best compromise between: optimized fractionation of the liquid to be converted allowing optimization of the exchange surface between the liquid and plasma dart,
  • the invention applies to the conversion of liquids such as bio-oils, or sludge treatment plant, or "slurry” or particles resulting from the spraying of a solid, these particles being mixed with a liquid for injection into the plasma torch.
  • the invention also applies to the injection and / or the conversion of a liquid of the bio-oil type or, more generally, potentially containing fine particles or, more generally still, relatively difficult to nebulize (or atomize) of by its physicochemical properties (especially its viscosity).
  • a gasification process of the bio-oil provides a gas suitable for the production of synthetic fuel.
  • the bio-oil can be obtained by flash pyrolysis, thermochemical process (at a temperature T ⁇ 500 0 C) in which the biomass is rapidly heated in the absence of oxygen. Under the influence of heat, the biomass decomposes and leads to the formation of permanent gases, condensable vapors, aerosols and carbon residues. After cooling and condensation of volatile compounds and aerosols, a dark brown liquid, the bio-oil, is typically obtained. This is then gasified by injection into a plasma torch, according to the present invention, which makes it possible to limit or avoid the presence of tars (it is below the limit value of 0.1 mg / Nm3).
  • the invention can also be advantageously implemented for the case of processes requiring the use of plasma darts or flame (s) or a relatively hot fluid (s) or generating a large amount of movement that does not make it easy to mix the load with this sting (or this hot flame or fluid or generating a large amount of movement).
  • a system according to the invention also makes it possible to accept the variations in the density of the liquid to be converted. Indeed, with other systems, if there is variation in the density of the liquid, a fit that can be heavy is necessary.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'injection de matière liquide dans une torche plasma, comportant N (N = 1) groupes d'injecteurs disposés sur le pourtour d'une zone d'écoulement du plasma (3), chaque groupe comportant au moins n (n = 2) injecteurs (1b, 1b', 1d, 1d', 1f, 1f' ) qui sont disposés de part et d'autre de l'axe d' écoulement du plasma, de manière à injecter dans le plasma ladite matière liquide suivant une direction (10, 10') au moins partiellement opposée à la direction d'écoulement du plasma.

Description

DISPOSITIF D'INJECTION DE CHARGE LIQUIDE
A MELANGER/CONVERTIR AU SEIN D'UN DARD PLASMA
OU D'UN FLUX GAZEUX
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes d'injection de liquide dans le dard de torches à plasma.
Parmi les liquides à convertir dans une torche on peut citer les exemples des bio-huiles, ou encore des boues de station d'épuration, ou encore des « slurry » ou particules résultant de la pulvérisation d'un solide, ces particules étant mélangées à un liquide pour l'injection dans le dard d'une torche plasma .
Une des problématiques majeures rencontrées dans les procédés de gazéification d'une charge liquide par voie plasma, en particulier dans le cas de la biohuile, est d'utiliser au mieux la torche à plasma pour effectuer la conversion.
Dans le cas de la bio-huile, celle-ci est obtenue par pyrolyse flash, qui est un procédé thermochimique (à une température T ≈ 5000C) dans lequel la biomasse est chauffée rapidement sous défaut stoechiométrique de dioxygène. Sous l'effet de la chaleur, la biomasse se décompose et conduit à la formation de gaz permanents, de vapeurs condensables, d'aérosols et de résidus carbonés. Après refroidissement et condensation des composés volatils et des aérosols, on obtient typiquement un liquide marron foncé, la bio-huile. Celle-ci est ensuite gazéifiée par injection dans une torche à plasma.
Le prétraitement de la bio-huile permet d'injecter de la biomasse dans un dard de torche à plasma pour la gazéifier. En effet la biomasse serait, sans cette étape de prétraitement, hétérogène, difficilement dispersable (du moins sans un broyage préalable coûteux) et difficile à injecter sous pression car solide. Par ailleurs en terme de coût d'acheminement de la biomasse vers les usines de gazéification, une pré-transformation de type pyrolyse flash peut s'avérer avantageuse.
Pour bien convertir un liquide, et en particulier de la bio-huile en gaz de synthèse, par une torche plasma, on recherche un bon équilibre entre les différents paramètres influençant la réaction, notamment le temps de séjour du liquide dans le dard plasma, la température du dard plasma, la surface d'échange entre le réactif et le milieu plasma et la composition du milieu.
Une mauvaise gazéification de la bio-huile produit non seulement un mauvais rendement matière, rédhibitoire en terme de rentabilité de procédé, mais aussi un gaz de synthèse de mauvaise qualité, c'est-à- dire que le gaz n'a pas un niveau de pureté suffisant pour une utilisation ultérieure comme intermédiaire de la synthèse de bio-carburant du fait de la présence de goudrons (seuil d'admissibilité voisin de 0,1 mg/Nm3) . La présence de ces goudrons pose de nombreux problèmes dans les différentes applications visées notamment lors de la synthèse de carburant par procédés de type Fischer-Tropsch où, sous l'action de la chaleur et de catalyseur, ils forment, par cokéfaction, des suies et un dépôt de composés hydrocarbonés lourds. Ceci diminue sensiblement la durée de vie du catalyseur utilisé pour la synthèse Fischer-Tropsch.
De plus, le dard plasma issu d'une torche à plasma a comme principales caractéristiques une température élevée (de 5000 à 7000K) , une vitesse d'écoulement élevée (800 à 1200 m. s"1) ainsi qu'une viscosité élevée. Avec de telles caractéristiques, les particules qu'on tente d'introduire au cœur du dard ont tendance à rebondir sur ce dernier.
Il existe donc un réel besoin industriel de disposer d'un dispositif d'injection de liquide pour optimiser sa dispersion et/ou sa conversion au cœur d'un dard plasma.
Les techniques proposées à ce jour pour l'injection de liquide pour sa dispersion/conversion par un dard plasma se répartissent en quatre grandes familles .
Une première famille regroupe les méthodes d'injection basées sur la nébulisation préalable du liquide avant l'injection dans le dard plasma. Ce type de solution favorise la surface d'échange entre le réactif et le milieu plasma comme dans le brevet FR 2 565 992. La mise en œuvre de ce procédé est faite au moyen d'un dispositif permettant d'introduire la matière pulvérisée de manière concentrique autour de l'écoulement gazeux chaud à l'aide d'un gaz vecteur. Il est conféré au gaz plasma un mouvement rotatoire dans le générateur de plasma afin d' obtenir une turbulence dans la matière pulvérisée à écoulement concentrique, l'écoulement gazeux chaud réchauffant le mélange. Le fait qu' il soit difficile de donner suffisamment de vitesse au liquide nébulisé est compensé par l'ajout d'un gaz vecteur auquel on donne la vitesse nécessaire pour pénétrer le dard plasma et en créant une turbulence entre la matière à convertir et l'écoulement gazeux chaud. Néanmoins ce procédé ne permet pas de pénétrer en profondeur dans le dard plasma et la réaction de gazéification a lieu en périphérie, ne profitant pas des hautes températures disponibles en profondeur du dard plasma. De plus, on dilue le dard plasma avec un gaz supplémentaire froid, ce qui est pénalisant en terme de rendement énergétique, sachant qu' il faut par ailleurs généralement une quantité de gaz vecteur non négligeable pour fractionner finement un liquide. En outre, dans le cas d'un liquide relativement visqueux et comportant des fines et susceptibles de coker, le système de nébulisation avec la mise en œuvre d'injecteur de diamètre relativement restreint constitue une difficulté du fait du bouchage prévisible du dispositif.
Une deuxième famille concerne les méthodes d'injection basées sur le forçage du mélange. Dans ce cas plusieurs configurations sont envisageables. Par exemple le plasma peut passer dans un canal percé de trous d'injection obligeant ainsi le liquide injecté à entrer dans le dard plasma. Divers documents évoquent cette technique, comme par exemple les documents FR 1 509 436 ou US 5 906 757. Dans le premier document cité, on force le jet plasma à circuler dans un tube muni d'un accroissement de diamètre, créant ainsi une détente du jet plasma dans la zone d'accroissement et donc une zone de turbulence dans le plasma. Le liquide est injecté dans cette zone et forme un anneau ou cylindre turbulent annulaire autour du dard plasma. Dans le deuxième document, on fait circuler le plasma dans un tube muni d'au moins un injecteur disposé radialement, ce qui permet d'injecter le liquide avec une composante tangentielle dans le plasma. Ce type de solution favorise le temps de séjour car le liquide est injecté en périphérie du dard plasma, où la vitesse d'écoulement du plasma est moins élevée (de l'ordre de lOOm/s comparé à la vitesse régnant au cœur du dard pouvant dépasser 500m/s.) Néanmoins cette solution génère des pertes énergétiques dues au transfert thermique avec les parois du canal. De plus cette solution ne force pas le liquide à entrer en profondeur dans le dard plasma, ne permettant pas de bénéficier de l'effet de température ni des espèces réactives constitutives du cœur du dard plasma.
Une troisième famille regroupe les méthodes d'injection utilisant plusieurs torches plasma. Un exemple de réalisation de cette méthode est évoqué dans le document CA 2 205 578. Le principe de cette méthode est d'emprisonner un jet de réactif dans une confluence d'au moins deux jets plasma, le point de confluence des jets plasma se trouvant sur l'axe d'injection du réactif. Ce type de solution permet l'injection du liquide directement en profondeur du dard plasma. Dans ce cas c'est la température qui est favorisée car on profite des hautes températures régnant au cœur du dard plasma .
Ce type de solution pose des problèmes de pertes énergétiques. En effet les flux des torches sont canalisés, ne laissant pas de degré de liberté sur l'optimisation de l'injection du liquide à convertir par rapport à une configuration figée des torches plasma . En outre le jet n'est pas fractionné et donc l'échange thermique entre le liquide à convertir et le milieu plasma n'est pas optimum.
Autre problème, l'injection du liquide en un point n'optimise pas l'utilisation du dard. En effet on n'utilise pas tout le volume de ce dernier.
Encore un autre problème résulte du fait que l'injection se fait au cœur du dard : on obtient par conséquent un temps de séjour court car la vitesse d'écoulement du plasma y est élevée. Par ailleurs, du fait de l'utilisation de plusieurs torches plasma, un problème ou un besoin de maintenance sur l'une d'elles impose l'arrêt de l'ensemble des torches.
Un autre problème, posé par l'utilisation de plusieurs torches, est la nécessité de disposer d'une alimentation électrique pour chaque torche, ce qui augmente ainsi les pertes énergétiques. Pour compenser ces pertes thermiques, il faut alors augmenter le nombre de torche pour un débit donné, ce qui n'est pas très bon thermiquement . Enfin, le fait d'utiliser plusieurs torches est susceptible d'entraîner des instabilités qui ne peuvent que difficilement être encaissées par un système d'injection centré.
Une dernière famille regroupe les méthodes d'injection utilisant une pièce intermédiaire située dans la torche plasma. Pour se faire on interpose sur le trajet de l'écoulement gazeux chaud un dispositif de mise en forme de cet écoulement gazeux chaud et on amène la matière fluide à une buse, créant ainsi un courant de matière fluide dont la direction est semblable à la direction de l'écoulement gazeux chaud, comme décrit dans le brevet FR 2 614 751. Avec ce type de dispositif on injecte le fluide directement au cœur de l'écoulement gazeux chaud, les particules à convertir se retrouvant ainsi prisonnières de l'écoulement gazeux chaud étant donné la viscosité élevée de celui-ci. Cette méthode permet de bénéficier de la température et du temps de séjour dans le dard plasma grâce à la possibilité d'injection à contre- courant de l'écoulement du plasma. Cependant la pièce doit être refroidie pour sa tenue mécanique à cause des hautes températures (causant des pertes thermiques) , refroidissant et perturbant également le plasma. Par ailleurs des risques de bouchages peuvent survenir dans les phases de démarrage ou d' arrêts du fait du niveau de la température au niveau de la buse.
On voit donc bien que la plupart des méthodes d'injection de liquide pour sa dispersion/conversion au cœur d'un dard plasma ne favorisent qu'un seul des paramètres que sont, soit le temps de séjour dans le dard plasma, soit l'utilisation de la température du dard plasma, soit la surface d'échange entre le réactif et le milieu plasma, soit enfin la composition de milieu. La première famille s'appuie sur la surface d'échange entre le réactif et le milieu plasma, la deuxième sur le temps de séjour, la troisième sur l'utilisation de la température et la dernière reposent sur deux paramètres, le temps de séjour et l'utilisation de la température.
Ainsi, aucune des solutions présentées n'est donc à même de répondre simultanément aux exigences suivantes :
- l'optimisation du temps de séjour du liquide dans le dard plasma,
- l'utilisation optimale de la température du dard plasma, - la maximisation du développement de la surface d'échange entre le réactif et le milieu plasma,
- la bonne utilisation de la composition du milieu pour la conversion.
Il se pose donc le problème d'effectuer une injection de liquide pour sa dispersion/conversion au cœur d'un dard plasma pour obtenir le meilleur équilibre entre le temps de séjour du liquide dans le dard plasma, la température du dard plasma, la surface d'échange entre le réactif et le milieu plasma, et la composition du milieu.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne d'abord un dispositif d'injection de matière liquide dans une torche plasma, comportant N (N >_ 1) groupes, ou sections, d'injecteurs Gi (i=l,...N) disposés sur le pourtour d'une zone d'écoulement du plasma, ou à distance de la zone d'écoulement du dard plasma, ou en dehors de cette zone d'écoulement, chaque groupe ou section comportant au moins ni (ni > 2) injecteurs qui sont disposés par exemple de part et d'autre de l'axe ou de la zone d'écoulement du plasma ou dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe d'écoulement du plasma, de manière à injecter dans le plasma au moins une partie de ladite matière liquide suivant une direction au moins partiellement opposée à la direction d'écoulement du plasma.
Dans la plupart des cas, on aura N £ 15 ou à 20.
Les ni injecteurs d'un même groupe d' injecteurs Gi peuvent être disposés sur le pourtour de la zone d'écoulement du plasma, avec un écart angulaire de 360°/ (ni) l'un par rapport à l'autre. Ils sont de préférence disposés de manière à réaliser une confluence des jets de liquide qu'ils injectent dans le plasma. Ils ne sont pas en contact direct avec le dard ou avec une zone d'écoulement du plasma.
Au moins un injecteur peut comporter un profil intérieur hélicoïdal, de manière à communiquer au fluide une composante de mouvement rotationnelle pouvant favoriser la dispersion du liquide à l'impact au cœur du dard plasma.
Au moins un injecteur peut comporter des moyens piézoélectriques pour fractionner le liquide injecté . Un dispositif selon l'invention peut comporter N groupes d' injecteurs (N>1) disposés le long de l'axe d'écoulement plasma, des injecteurs de différents groupes d' injecteurs comportant des angles d'incidence différents par rapport à l'axe d'écoulement du plasma. Cette disposition permet notamment une meilleure répartition, dans le plasma, de la charge liquide à traiter. De préférence, plus un groupe d' injecteurs est éloigné de la base du dard plasma, plus son angle d'incidence par rapport à l'axe d'écoulement du plasma est faible. Un dispositif selon l'invention peut comporter en outre des moyens pour injecter, dans au moins une partie des injecteurs, des trains de jets liquides en impulsion ou des jets liquides, par exemple à pression oscillante (variable en fonction du temps) . Avantageusement, un ou plusieurs des injecteurs comporte en outre chacun une buse d'injection de vapeur pour injecter un jet de vapeur simultanément au jet de liquide.
Un dispositif selon l'invention peut comporter en outre des moyens de mise sous pression de la charge liquide à convertir. La pression de certains jets peut être modifiée de manière à, notamment dans certaines configurations des jets, permettre un ajustement de l'angle d'injection des jets dont la précision est modifiée.
Avantageusement, des moyens peuvent être prévus pour séparer, d'une part les composés organiques lourds du liquide à convertir, et d'autre part de la phase légère de ce même liquide. Des moyens de préparation d'un liquide à injecter peuvent comporter en outre des moyens pour vaporiser la phase aqueuse avant qu'elle ne soit injectée .
Un dispositif selon l'invention peut comporter en outre des moyens optiques pour contrôler la qualité d'injection et éventuellement adapter les paramètres d'injection de la charge liquide à convertir à des modifications du dard plasma.
Plus généralement, des moyens peuvent être prévus pour adapter l'injection de la charge liquide à convertir à des modifications du dard plasma.
L' invention concerne également un procédé d'injection de matière liquide dans un dard de torche plasma, dans lequel on injecte le liquide par N (N >_ 1) groupes d'injecteurs Gi (i=l,...N) disposés sur le pourtour d'une zone d'écoulement du plasma, ou à distance de la zone d'écoulement du dard plasma, chaque groupe comportant au moins ni (ni>2) injecteurs disposés, par exemple, de part et d'autre de l'axe ou de la zone d'écoulement du plasma ou en dehors de cette zone et/ou dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe d'écoulement du plasma, au moins une partie de ladite matière liquide étant injectée dans le plasma suivant une direction au moins partiellement opposée à la direction d'écoulement de ce dernier. Là encore, les n injecteurs d'un même groupe d'injecteurs peuvent être disposés sur le pourtour de la zone d'écoulement du plasma, avec un écart angulaire de 360°/n l'un par rapport à l'autre. Ils sont de préférence disposés de manière à réaliser une confluence des jets de liquide qu'ils injectent dans le plasma. Un dispositif et un procédé selon l'invention s'appliquent particulièrement bien à un liquide de type bio-huile, ou à une boue de station d'épuration, ou à un mélange de particules solides et d'un liquide.
Une partie de la chaleur dégagée par le plasma peut être récupérée par le support d'injecteurs puis ensuite transférée, par conduction, au liquide passant dans les injecteurs. On peut avantageusement injecter, dans au moins une partie des injecteurs, des trains de jets liquides en impulsion ou des jets liquides, par exemple dont la pression d'injection varie périodiquement
(oscillation) . Selon un autre mode de réalisation avantageux, on injecte, dans au moins une partie des jets de liquide, un jet de vapeur simultanément au jet de liquide. Le liquide peut être préalablement séparé entre une première partie, vaporisable à relativement basse température (de l'ordre de 80 à 1500C environ) et une deuxième partie, plus lourde, à injecter dans le plasma sous forme liquide.
Un ajout d'eau dans le liquide à injecter peut également être réalisé, afin d'optimiser la réaction de conversion du liquide à traiter.
Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux on forme une couche de vapeur à l'extérieur du dard plasma.
Les jets de liquide des n injecteurs d'un même groupe d'injecteurs sont de préférence confluents dans le plasma, la zone de confluence des jets étant avantageusement située sensiblement sur l'axe d'écoulement du plasma.
L'angle d'injection d'au moins un jet dans le plasma peut être modifié, par exemple par variation de la pression de fluide dans ce jet.
Des contrôles de divers paramètres peuvent être réalisés, par exemple :
- la qualité de l'injection des jets liquides, par exemple par des moyens de type optique ; - et/ou la qualité du plasma en sortie de torche ;
- et/ou la pulsation du dard plasma, éventuellement par rapport à la pulsation de l'injection de liquide dans le dard plasma. Pour permettre un ajustement des paramètres du système à partir de données correspondant à une ou diverses mesures effectuées, il peut être souhaitable de pouvoir ajuster, si besoin est, la composition de la charge et/ou les conditions de fonctionnement du plasma. Par exemple on peut souhaiter ajuster le déphasage entre la période d'une impulsion du dard plasma et la période d'une impulsion de l'injection.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
- La figure IA est un exemple de réalisation détaillée d'un dispositif selon
1' invention .
- La figure IB est un exemple de réalisation détaillée d'un système selon l'invention. - Les figures 2A à 4 sont des exemples de profils d'injecteurs utilisés dans un dispositif selon 1' invention .
- Les figures 5 et 6 illustrent les problèmes de traversée du dard plasma par un jet de liquide (en cas d'excès de quantité de mouvement du jet liquide) et le cas d'une insuffisance de quantité de mouvement du jet liquide ne permettant pas la pénétration du dard plasma. - La figure 7 représente un impact à fractionnement maximal de jets qui confluent à presque 90° juste avant l'impact.
- Les Figures 8A et 8B illustrent l'impact de jets à confluence non orthogonale induisant la formation de nappe liquide.
- La figure 9 représente une configuration comportant plusieurs sections d'injecteurs le long de l'axe de la torche plasma.
- Les figures 1OA à 1OC représentent l'injection en impulsions de trains de jets liquides pour minimiser le risque de saturation du dard plasma.
- La figure 11 représente un positionnement possible d'un ensemble de 3 couples d'injecteurs le long de l'axe de la torche plasma et selon deux axes perpendiculaires entre eux.
- La figure 12 représente un profil du coefficient d'échange thermique à la paroi en fonction de l'axe xx' de l'écoulement dard plasma, ainsi que le dard plasma et des portions de la paroi. - La figure 13 représente schématiquement le positionnement d'un injecteur et d'une buse d'injection de vapeur.
- La figure 14 illustre la constitution d'une couche limite de vapeur riche en eau en limite de dard plasma pour éviter la formation de suies.
- La figure 15 représente une illustration type d'un diagramme de phase du type du système eau- bio-huile . - La figure 16 représente l'une des interfaces optiques du réacteur, permettant le diagnostic de l'injection par mesure optique.
- La figure 17 représente de manière détaillée la répartition d'un ensemble de trois couples d' injecteurs, ramenés dans un même plan, le long d'un axe d'écoulement plasma.
- La figure 18 représente de manière schématique des volumes élémentaires du dard plasma, pour estimer les taux d'occupation du dard par la charge liquide à convertir.
- La figure 19 représente la formation d'une nappe liquide par confluence de deux jets liquides .
- La figure 20 représente l'évolution du rayon (r) de la nappe de fluide en fonction de l'angle β et de l'angle d'incidence des jets (θ) .
- La figure 21 représente un exemple de la fluctuation de l'arc électrique au sein de la torche à plasma, par le suivi temporel de la tension au niveau des électrodes de la torche. - La figure 22 représente de manière schématique la répartition, sur la section circulaire autour d'un dard plasma, de trois injecteurs de liquide .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un mode de réalisation de l'invention va être expliqué en liaison avec le schéma de la figure IA.
La figure IB inclut un tel dispositif avec des moyens périphériques complémentaires, décrits plus loin .
Sur la figure IA, les références 30, 31 désignent des électrodes entre lesquelles une décharge électrique est produite. Simultanément le passage d'un gaz plasmagène entre ces électrodes conduit à la formation d'un dard plasma 3.
Des moyens d'alimentation électrique des électrodes sont désignés par la référence 32.
En sortie des électrodes est disposé un système formant support 2 pour le positionnement et le maintien d' injecteurs de liquide à traiter. Dans une cavité 2' ménagée dans ce support, s'écoule le dard plasma sensiblement selon un axe B désigné par la suite comme l'axe découlement du plasma. Selon un exemple, la cavité 2' est de forme sensiblement cylindrique et l'axe B est axe de symétrie cylindrique de cette cavité. Mais d'autres formes peuvent être choisies pour cette cavité. Dans ce support 2 sont disposés au moins deux injecteurs, formant un groupe de deux d' injecteurs .
Plus généralement, ce sont N groupes Gi d' injecteurs (NXJ1, mais, en général, N £ 15 ou < 20) qui sont disposés dans ce support, chaque groupe Gi comportant au moins deux injecteurs, et, plus généralement, ni (ni > 2) injecteurs. Les N groupes d' injecteurs sont disposés le long de l'axe d'écoulement du plasma. La disposition de ces injecteurs est décrite plus précisément ci-dessous.
Sur la figure IA sont représentés schématiquement 4 injecteurs de liquide désignés par les références Ib, Id, Ib' , Id' . On a donc en fait deux groupes Gl et G2 de, chacun, deux injecteurs de liquide. On distingue également, sur cette même figure, 4 autres injecteurs, ou buses, la, Ic, la', Ic' qui permettent, comme expliqué ci-dessous, l'injection séparée de vapeur, chacun d'entre eux en coopération avec l'un des injecteurs Ib, Id, Ib', Id'.
Les injecteurs Ib, Id, Ib', Id' de liquide sont dirigés vers la zone dans laquelle doit être formé le dard plasma 3, de manière à injecter le liquide avec un mouvement ayant une composante suivant une direction A (voir flèche A sur les figures 7, 8, 9, 10A-C,
14, 17) opposée à la direction B d'écoulement du plasma
(voir également flèche B sur les mêmes figures) . Les injecteurs sont ici disposés par groupe de deux ou par paire, chaque paire, ou les orifices de sortie de ces injecteurs (orifices par lesquels la matière à traiter est éjectée vers le plasma), formant un axe I-I' (voir figure 7) sensiblement perpendiculaire à l'axe ou à la direction B d'écoulement du plasma, les deux injecteurs de chaque paire étant disposés de manière sensiblement diamétralement opposée sur le pourtour du support 2 et étant dirigés vers la zone dans laquelle le plasma 3 est formé.
Lorsqu'un groupe Gi d' injecteurs comporte 3 injecteurs - et plus généralement ni injecteurs - ceux- ci, ou leurs orifices, sont disposés sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe d'écoulement du plasma (sur la figure 7 ce plan serait un plan de trace I-I', perpendiculaire au plan de la figure et à l'axe B) . Ils sont alors disposés de préférence sensiblement à 120° - et plus généralement à 360°/n - l'un de l'autre (voir par exemple la figure 22 qui représente une vue schématique en coupe d'un support 2 d'injection, perpendiculairement à l'axe B d'écoulement du plasma avec un groupe de 3 injecteurs Ib, Ib', Ib'' dans un même plan, à sensiblement 120° l'un de l'autre) .
Les angles, par rapport à l'axe B d'écoulement du plasma, des axes de projection de liquide en sortie d' injecteurs d'un même groupe d' injecteurs, ou axes de sortie des injecteurs de ce groupe - injecteurs qui sont disposés de manière sensiblement diamétralement opposée par rapport à l'axe d'écoulement du plasma dans le cas ni = 2 - sur la périphérie du support 2 (voir injecteurs Ib et Ib' des figures IA, IB, 7, 8, 1OA - 10C) sont sensiblement égaux entre eux (en valeur absolue) . Une structure plus complexe est représentée en figures 9, 11, 17, 18, où le dispositif comporte 3 paires ou groupes Gl, G2, G3 d' injecteurs, Ib, Ib', Id, Id', If, If disposés le long de l'axe B, sur 3 axes différents mais perpendiculaires à l'axe B. Là encore, les angles, par rapport à l'axe B d'écoulement du plasma, des axes de projection ou de sortie d' injecteurs d'un même groupe (ces injecteurs sont situés sur la périphérie de la zone d'écoulement du plasma, mais à une même position le long de l'axe d'écoulement de ce plasma, c'est-à-dire sensiblement sur un même axe perpendiculaire à cet axe d'écoulement), sont sensiblement égaux en valeur absolue. Ainsi, sur la figure 17, l'angle de l'axe de chacun des injecteurs Ib, Ib' (groupe Gl) avec l'axe B est égal à π/2, l'angle de l'axe de chacun des injecteurs Id, Id' (groupe G2) avec l'axe B est égal à π/4, et l'angle de l'axe de chacun des injecteurs If, If (groupe G3) avec l'axe B est égal à π/6. Plus généralement, quel que soit le nombre ni d' injecteurs d'un même groupe Gi (ces injecteurs sont donc disposés dans un même plan perpendiculaire à la direction B d'écoulement du plasma): les angles que font les axes de projection ou de sortie de ces injecteurs, situés dans ce même plan, avec l'axe de propagation du plasma, sont égaux ou sensiblement égaux entre eux, ou les angles que font les directions d'incidence des jets des injecteurs de ce groupe pénétrant dans le plasma, avec l'axe de propagation du plasma, sont égaux ou sensiblement égaux entre eux. De manière pratique, les injecteurs de la figure 17 ont été représentés dans un même plan (celui de la figure) , mais sont de préférence plutôt disposés comme indiqué en figure 11, c'est-à-dire suivant des axes alternativement orthogonaux entre eux et à la direction d'écoulement du plasma. Sur la figure 11 on distingue donc 3 groupes d' injecteurs, Gl, G2, G3 et tous les angles entre les axes de projection et l'axe d'écoulement du plasma sont sensiblement égaux à 90°; l'angle au sommet du cône formé par les injecteurs et le point de convergence sur l'axe d'écoulement du plasma est alors égal à, sensiblement, 180°.
On voit, sur les modes de réalisation des figures 9, 17, 18, que, plus les injecteurs d'un groupe d'injecteur sont éloignés de la base 33 du dard plasma 3, plus l'angle d'incidence, par rapport à cet axe, des injecteurs de ce groupe est faible (sur la figure 17, on passe d'un angle de π/2 pour les injecteurs Ib, Ib' à un angle de π/4 pour les injecteurs Id, Id', puis à un angle de π/6 pour les injecteurs If, If qui sont les plus éloignés de la base du plasma) . Cette disposition permet, comme expliqué plus loin, d'optimiser le taux d'occupation dans le plasma tout en réduisant les risques de saturation de ce dernier. Ainsi, quel que soit leur nombre, les injecteurs d'un même groupe, de par leur positionnement dans le support 2 et leur orientation, permettent d'imposer une confluence de jets (continus ou discontinus), assurant à chacun d'entre eux de s'appuyer sur l' (les) autre (s) pour se fractionner au niveau de l'axe de propagation du dard plasma. Par cette orientation des injecteurs, la quantité de mouvement résultante des jets confluents se retrouve, en grande partie, dans le sens inverse A de l'écoulement B du dard plasma. Ceci permet d'assurer une augmentation du temps de séjour de la matière à convertir dans le dard, ainsi qu'un fractionnement secondaire optimal induit par le dard plasma. En effet, la matière étant injectée avec une quantité de mouvement l'entraînant dans le sens opposé au sens de propagation du plasma, une durée supplémentaire sera nécessaire, par rapport à une injection dans le même sens que le plasma, pour être entraînée par ce dernier. En outre le fractionnement secondaire induit par le dard plasma est fonction de la vitesse relative entre le dard et le fluide à convertir : les directions opposées, d'une part du liquide, et d'autre part de l'écoulement du plasma, assurent une optimisation de cette vitesse relative.
Comme on peut le constater sur les figures 5-10C, 13, 14, 17, 18, les injecteurs ne sont pas en contact (ni à proximité immédiate) avec le dard.
Sont donc minimisés les risques de cokéfaction
(phénomène dû à la température au niveau des injecteurs) et donc les risques de bouchages des injecteurs. De plus, la nécessité de refroidir les injecteurs est moins forte, ce qui favorise le rendement thermique, l'écoulement de liquide à relativement grande vitesse pour un liquide (cf. l'exemple de réalisation ci-dessous) assurant une limitation de température qui permet dans certains cas de pouvoir se dédouaner d'un refroidissement spécifique. Ce refroidissant peut lui même être assuré par la charge à convertir et, avantageusement, la part non cokéfiable issue de l'amont de la ligne 41 (figure IB) . Cet effet bénéfique sur le transfert thermique est renforcé du fait que, dans la présente invention, le dard plasma 3 n'est plus canalisé par des parois l'épousant au plus près. Les parois de la cavité 2' et le support des injecteurs 2 étant relativement éloignés du dard plasma ou n'ayant de rôle de confinement du dard, on limite ainsi les pertes thermiques, ce qui induit une augmentation du rendement énergétique.
D'une manière générale, la distance injecteur-entrée dans le dard plasma (qui peut être à titre indicatif de l'ordre de 10 fois (voire plus) le diamètre du dard) permet d'assurer un temps de vol du jet avant l'entrée dans le dard qui complète le réchauffement du jet et permet le cas échéant de volatiliser une fractions des espèces légères (ayant pu rester dans le jet liquide injecté) qui ne nécessitent pas forcément des hautes températures présentes au cœur du dard plasma pour être converties. Ceci permet d'optimiser le temps de présence du jet dans le dard et d'utiliser le dard plasma spécifiquement pour les espèces particulièrement réfractaires à la conversion. Les injecteurs disposés de la manière décrite ci-dessus permettent, en fonction de la quantité de mouvement disponible pour chaque jet, d'injecter la charge liquide dans le dard plasma 3 (ou dans le flux chaud dense) de manière à le traverser totalement jusqu'à l'axe d'écoulement du plasma, et de manière à ce que les jets se rencontrent sensiblement sur cet axe et s'appuient les uns sur les autres lors de cette rencontre, ce qui augmente leur fractionnement. On évite ainsi la situation, illustrée sur la figure 5, de traversée partielle du dard plasma par le jet, sans que celui-ci puisse arriver sur l'axe sans pulvérisation significative, ou même la situation de non pénétration du plasma par le jet (figure 6) . Dans le cas de la figure 6, le jet 10 de liquide est brisé par le simple contact avec les bords du plasma 3. Sur la figure 17 sont représentés les trois points Al, A2, A3 (tous trois situés sur l'axe B d'écoulement du plasma), de rencontre des jets des différents groupes d' injecteurs .
Ce fractionnement, après confluence des jets sensiblement sur l'axe d'écoulement du plasma, permet une dispersion optimisée, dès l'impact des jets
(cas d'un fractionnement maximal, avec impact à confluence quasiment perpendiculaire juste avant la confluence, comme illustré sur la figure 7) ou à confluence non orthogonale, plutôt réduite (cas d'un écoulement tel qu' illustré en figures 8A, 8B, avec des jets 10, 10' moins inclinés par rapport à l'axe d'écoulement du plasma et des injecteurs situés plus en aval le long de cet axe que dans la configuration de la figure 7) . Dans le premier cas (figure 7), le fractionnement primaire est favorisé alors que, dans le second cas, on obtient un accroissement du temps de séjour de la matière au sein du dard plasma 3 et une augmentation de la surface d'échange (le liquide passe d'un tronçon cylindrique 10, 10' à une nappe 13, figure 8B) entre le liquide à convertir et le dard plasma 3.
Avant le fractionnement, imposé par les forces de cisaillement induites par l'écoulement du plasma 3, on cherche de préférence à réaliser une confluence des jets 10, 10' des injecteurs d'un même groupe d' injecteurs, ou situés dans un même plan, ou sur un même axe perpendiculaire à l'axe découlement du plasma. On entend par confluence un impact des jets 10, 10' entre eux avant que le fractionnement de ces derniers ne survienne ; cette situation de confluence est représentée sur la figure 7, la figure 6 illustrant le problème de non -pénétration du jet dans le dard plasma. Les figures 7, 8A et 8B illustrent la maîtrise du risque de traversée partielle ou de non pénétration du dard plasma par le jet liquide. Les figures 8B et 19 représentent d'ailleurs de manière plus détaillée la formation d'une nappe 13 liquide par confluence de deux jets 10, 10' . Le point ou la zone de confluence, située sur l'axe d'écoulement du plasma, forme le sommet d'un cône dont des génératrices sont par ailleurs constituées par une ligne imaginaire reliant la zone ou le point de confluence et l'orifice de sortie de chacun des injecteurs dont les jets se retrouvent en ce point ou dans cette zone de confluence, donc chacun des injecteurs d'un même groupe d' injecteurs . Le demi angle au sommet du cône est égal à l'angle formé entre la direction d'injection de chaque injecteur de liquide et l'écoulement du plasma, ou à l'angle formé par la direction du jet incident au point de confluence et l'axe d'écoulement du plasma.
Ainsi, sur la figure 17, le groupe d'injecteurs Id, Id' forme, avec le point A2 de confluence des jets de ces deux injecteurs, un cône dont le sommet est justement le point A2. Chacune des droites Δ2, Δ'2, qui relie ce point à l'orifice de sortie de l'un de ces deux injecteurs forme une génératrice du cône correspondant. De même, sur cette même figure 17, le groupe d'injecteurs If, If forme, avec le point A3 de confluence des jets de ces deux injecteurs, un cône dont le sommet est le point A3. Chacune des droites Δ3, Δ'3, qui relie ce point A3 à l'orifice de sortie de l'un de ces deux injecteurs forme une génératrice du cône correspondant.
La confluence d'au moins deux jets, et l'éventuelle formation d'une nappe de liquide, permettent de réaliser une optimisation de la surface d'échange et du temps de séjour au sein de dard plasma.
On atomise donc les jets confluents, directement au sein du plasma, en bénéficiant de l'impact entre les jets, de l'effet de cisaillement dû à l'écoulement du plasma et on bénéficie de la température la plus élevée (celle du coeur du plasma) et des espèces réactives.
La confluence des jets permet de s'affranchir d'un problème, à savoir l'optimisation de la quantité de mouvement permettant d' introduire le liquide au cœur du dard plasma. En effet, il suffit de donner suffisamment de quantité de mouvement au jet pour qu' il puisse pénétrer le dard, mais sans le risque que le jet traverse le dard en cas de dépassement, même limité, de la quantité de mouvement limite (qui équivaut quasiment, du moins en ordre de grandeur, à celle du dard plasma) . On obtient ainsi un degré de liberté supplémentaire et un niveau de fractionnement double (à savoir celui dû au plasma (différence de vitesse entre le liquide et le dard) et celui dû à l'impact) tout en permettant de réaliser un compromis entre l'atteinte des hautes températures du plasma et le temps de séjour du liquide au sein du dard.
La longueur h (figure 5) du jet continu 10 pénétrant dans le dard plasma et non soumis au fractionnement est : - d'une part, fonction (en ordre de grandeur) de la racine carré du rapport (noté q) de la quantité de mouvement du jet liquide 10 à celle du dard plasma 3 ; de préférence, q est supérieur à 1, de préférence encore supérieur à 2, - d'autre part, fonction de l'angle d'injection (noté θ, il s'agit de l'angle entre l'axe d'écoulement du plasma et les directions des jets),
- mais également fonction de la distance réduite (rapport de la longueur x du jet avant sa pénétration dans le dard au diamètre (d) de l'injecteur du jet injecté) .
Il est possible, selon les caractéristiques de l'écoulement, de trouver un angle optimal (θ*) permettant de maximiser la longueur du jet (hmax) avant fractionnement. Dans des régimes d'écoulement où l'hydrodynamique prime sur l'effet thermique (hypothèse d'un maintien du jet à l'état liquide avant fractionnement au sein du dard), la longueur du jet sans fractionnement peut être approchée par une expression du type :
h = /<M/<*W* ; avec hmax = f(θ*f x/d) . ^
Dans cette expression, x et d sont fixés pour une configuration donnée.
Il existe donc, au plus (dans le cas où l'angle de l'injection n'est pas dépendant de la quantité de mouvement, ce qui est le cas pour un débouchant d'injecteur sans profilé), deux degrés de liberté (θ et q) pour optimiser l'injection. La plage de variation du paramètre θ est moins importante que celle du paramètre q. La multiplicité des injecteurs (deux par section ou groupe d' injecteurs sur les figures IA et IB, trois sur la figure 22, mais il est possible d'en prévoir plus pour un ou plusieurs groupes d' injecteurs) permet d'augmenter la surface d'échange et d'utiliser au mieux le volume du dard plasma, en évitant d'engorger celui-ci par la charge à traiter. Pour ce faire, on cherche à garantir un taux maximal d'occupation du dard, ou taux de saturation, afin d'éviter son engorgement sans pour autant trop réduire le taux de charge au sein du dard plasma (sinon le traitement d'un kilogramme de charge liquide à convertir serait trop coûteux). D'une manière générale, on cherche à :
- injecter la quantité maximale admissible de charge au vu de l'apport de puissance du dard plasma 3 et de l'enthalpie de transformation de la charge,
- minimiser les risques de saturation locale du dard en liquide et donc tenter de garantir une bonne répartition de la teneur en charge liquide au sein du dard (cf. figure 9 où les nuances de gris donnent une indication sur la teneur en charge liquide dans le volume du dard) ; ainsi, au niveau de la confluence des jets, le taux de charge est important (surtout sur la première confluence, la plus proche de la base 33 du plasma, voir figures 17 et 18 et l'exemple de réalisation donné plus loin) et tend à diminuer du fait de la conversion plus ou moins avancée juste en amont d'une nouvelle injection) . La qualité de la répartition ne peut être présupposée comme optimale, mais elle peut néanmoins être approchée a priori (voir à ce sujet l'exemple de réalisation donné plus loin) et ajustée a posteriori en contrôlant la qualité de l'injection par des diagnostics appropriés, par exemple à l'aide des moyens 5 et 6 de la figure 1.
Le taux de saturation peut être variable en fonction de la nature du dard et des propriétés physico-chimiques de la charge à traiter (volatilité, tension de surface,...) . A titre indicatif, un taux de charge local inférieur à 1 % (volume de liquide sur volume élémentaire du tronçon de dard englobant ce volume de liquide (cf. δvi défini dans l'exemple de réalisation) permet de se préserver du risque de saturation du dard (sachant par ailleurs qu'il existe un facteur d'au moins 1000 entre le volume occupé par un liquide et celui occupé par sa vapeur lorsque ce dernier se vaporise) .
Afin de minimiser les risques d'engorgement du dard, il est ainsi possible de mettre en oeuvre les configurations suivantes :
- des groupes d'injecteurs répartis selon différentes cotes longitudinales du dard plasma (voir les structures des figures 9, 10A-C, 17, 18) et/ou avec des axes d'incidence ou des angles d'injection différents (voir les mêmes figures où tous les groupes d'injecteurs ont des angles d'injection différents d'un groupe à l'autre),
- et/ou une injection de trains de jet liquide par impulsions, potentiellement déphasée entre les tronçons ou les groupes d'injecteur (dans le cas d'une injection puisée), afin de répartir le taux de charge du plasma (ou du flux gazeux permettant la conversion) . Cette situation est représentée en figures 10A-10C, sur lesquelles seuls 2 injecteurs Ib, Ib' sont représentés, d'abord comme émettant chacun un jet de matière; cette matière 3' va être localisée, dans un premier temps, dans une zone située en avant (figure 10A) du plasma 3, puis entraînée dans le sens de l'écoulement du plasma, alors que les injecteurs n'émettent plus de matière (figure 10B) ; lorsque les injecteurs émettent chacun un nouveau jet de matière 3'' celle-ci est d'abord localisée dans une zone en amont du plasma (figure 10C) , en amont de la zone dans laquelle se situe alors la matière 3' injectée par le premier jet. La durée séparant la fin d'une impulsion d'injection de liquide et le début de la suivante est alors de préférence au minimum le temps du déplacement du volume élémentaire de plasma ; en d'autres termes, on cherche à injecter, dans le plasma, un volume de liquide permettant un renouvellement suffisant de la zone d'injection dans le plasma, pour admettre une nouvelle impulsion d'injection.
Ceci permet notamment une alternance d'injection entre différents tronçons d' injecteurs, la vitesse d'écoulement du flux gazeux étant généralement très importante (cas d'un dard plasma) .
Selon encore un autre mode de réalisation qui peut être combiné avec les précédents, des moyens peuvent être prévus pour injecter une vapeur, comme illustré sur les figures IA, 13 et 14 où des injecteurs ou buses Id, Id' de vapeur sont disposés de manière à injecter chacun un jet de vapeur 100, 100' suivant une direction formant un angle ψ avec la direction d'injection 10, 10' des injecteurs Ib, Ib' de charge liquide. Cette injection de vapeur permet d'apporter un degré de liberté supplémentaire sur l'angle d'injection résultant entre le jet liquide et le dard plasma. Comme on le voit en effet sur les figures 13 et 14, la vapeur 100, 100' fait dévier la trajectoire initiale du liquide de manière plus ou moins importante en fonction du rapport entre la quantité de mouvement du jet de vapeur et celle du jet de la charge liquide à convertir. Dans ce cas, le point ou la zone de confluence AO, située sur l'axe B d'écoulement du plasma, forme le sommet d'un cône dont des génératrices sont par ailleurs constituées par les directions Dl et D2 des jets incidents en ce point de confluence. Le gaz injecté peut avantageusement être la part facilement volatilisable (à une température comprise par exemple entre 80 et 1500C environ) du liquide à convertir (c'est-à-dire la part qui n'a a priori pas nécessairement besoin d'être injectée dans le plasma pour être vaporisée ou convertie) . Cette fraction est par nature (puisque constituée d'éléments légers) moins soumise au phénomène de cokéfaction. Pour injecter cette part volatilisable sous forme de vapeur il est possible de réaliser une démixtion préalable, permettant de séparer la partie organique du liquide à convertir, difficilement volatilisable, et plutôt réfractaire à la conversion, et nécessitant donc un traitement par le plasma, de la partie aqueuse vaporisable, généralement plus aisée à convertir. Des moyens pour effectuer une telle démixtion sont décrits plus loin avec les moyens de préparation de charge.
La quantité de cette partie aqueuse vaporisable peut également éventuellement être ajustée avec une injection d'eau additionnelle afin de garantir la gazéification complète de la bio-huile en cas de déficit d'oxygène et d'hydrogène, notamment dû à une composition spécifique de la bio-huile.
A titre indicatif, la bio-huile, pour une formule brute moyenne de type (CHi, 9Oo, 7), a besoin d'une quantité équivalente d'eau de 0,3 mole par mole de biohuile, pour être totalement gazéifiée selon la formule :
CHi,9O0,7 + 0,3 H2O → 1,25 H2 + CO (réaction 1). Dans cette réaction, une quantité d'eau insuffisante conduira néanmoins à une réaction, mais déséquilibrée, et qui aboutira à la formation de suies.
Une injection fractionnée (injection de la part volatilisable sous forme de vapeur et de la part non vaporisée sous forme liquide dans le plasma) permet non seulement, comme expliqué ci-dessus, d'ajuster la quantité d'eau, mais également de réserver l'occupation du cœur de la zone plasma à la charge la plus difficile à convertir, afin que cette dernière soit totalement déstructurée et soit le moins possible diluée par d'autres composés ne nécessitant pas forcément de très hautes températures pour être convertis. En d'autres termes, n'est injecté dans le dard plasma que ce qui doit y être converti, la part vaporisable en dehors du plasma étant avantageusement utilisée d'une autre manière .
Par ailleurs, en plus de l'effet de changement d'angle d'injection du jet liquide et d'ajustement de la composition stœchiométrique, l'insufflation de vapeur permet éventuellement de chauffer préalablement la charge liquide avant son entrée dans le plasma. Elle permet également de minimiser la présence de suies (phase solide issues de la mauvaise gazéification de la charge liquide) au sortir du dard 3. En effet, la vapeur d'eau, n'ayant pas une quantité de mouvement suffisante par rapport à celle du dard plasma 3 pour y pénétrer, elle va être recirculée, comme illustré en figure 14, par entraînement induit par le dard plasma 3, ce qui va constituer une couche de vapeur 11, 11' riche en eau en limite du dard plasma. Les références 110, 110' désignent un nuage de vapeur circulant accumulé de chaque côté du plasma du fait de l'injection de vapeur, et à partir desquels les couches 11, 11' vont être formées. Les suies se forment très rapidement (vitesse de formation inférieure au millième de seconde) en faisant intervenir des phénomènes de croissance et d'agrégation, il est donc intéressant de gainer le dard plasma par ces zones 11, 11' riches en vapeur d'eau pour limiter cette formation de suies relativement réfractaires à la gazéification une fois celles-ci ayant atteint des tailles pénalisantes (pouvant dépasser le micron) en terme de temps de gazéification.
Pour minimiser la formation de suies, il est également possible de jouer sur la composition du gaz plasmagène introduit dans la torche. La composition du gaz plasmagène peut être contrôlée, au niveau de l'injection dans les électrodes 3b de formation du plasma (figure IA) . Les injecteurs de liquide Ib, Ib', Id, Id' peuvent avoir par exemple des débouchants profilés, dont l'ouverture 12, de diamètre ou de dimension maximale Φ, permet à la fois de ne pas être soumis au bouchage intempestif du fait de la présence de fines dans le liquide à injecter, mais garantit également une répartition satisfaisante du débit au sein du dard plasma en leur extrémité. Un tel injecteur est représenté schématiquement sur les figures 2A et 2B, à titre illustratif, en coupe et en vue de face. L'ouverture 12 n'est pas symétrique par rapport à une direction définie par l'axe d'extension DD' de l'injecteur. Cette ouverture dirige ou dévie le fluide vers l'un des côtés de l'axe DD' .
Ces profilés permettent, optionnellement, selon la pression de fluide imposée en amont du débouchant, d'imposer un angle d'injection α + δα variable dans une plage δα limitée, la limite étant imposée par le profilé et par l'écoulement, comme illustré sur les figures 3A et 3B : sur ces figures, une première pression, correspondant à une première quantité de mouvement ql, permet d'obtenir un angle d'injection égal à α (figure 3A), tandis qu'une deuxième pression, correspondant à une deuxième quantité de mouvement q2 > ql, permet d'obtenir un angle d'injection égal à α + δα (figure 3B) . Ce profilé permet ainsi de pouvoir ajuster les angles d'injection du liquide, à l'aide simplement de la pression, à convertir sans avoir recours à des pièces mobiles, difficiles à mettre en œuvre dans un procédé dont les contraintes de température et d'étanchéité sont importantes.
La paroi intérieure de ces débouchants peut également comporter un filetage hélicoïdal 120, comme illustré sur la figure 4, permettant d'impulser une quantité de mouvement rotationnelle au fluide, ce qui a pour conséquence de permettre d'augmenter le fractionnement de ce dernier au sein du dard plasma 3. Cette option permet d'injecter des jets continus ou discontinus .
Selon un autre exemple, les injecteurs, qui peuvent être alors du type décrit ci-dessus, ou même des débouchants droits, peuvent être équipés d'éléments piézoélectriques permettant de faire vibrer l'injecteur et de fractionner le liquide. Cette option permet d'injecter des trains de jets discontinus. Plus généralement, un fractionnement peut être favorisé par le recourt à un phasage approprié entre la pulsation du dard plasma due aux mouvement de l'arc électrique au sein de la torche à plasma et les pulsations de pression du jet de liquide à convertir.
Des moyens de mise sous pression de la charge à convertir, identifiés sur la figure 1 par les références 4g, 4g', permettent d'assurer la vitesse d'injection et donc la quantité de mouvement du fluide à injecter. Ces moyens, décrits plus loin, peuvent permettre un ajustement de la pression et peuvent être pilotés par exemple par des moyens 7a (figure IB) de type microprocesseur.
D'une manière générale, au-delà du taux d'occupation et de la longueur de jet avant leur fractionnement, les éléments suivants peuvent notamment être pris en considération pour optimiser l'injection :
- le temps de parcours du jet avant sa confluence avec un autre jet (ce temps se décomposant entre le temps de vol avant pénétration dans le dard et la durée de parcours au sein du dard) . Ce temps permet le cas échéant d'élever la température du fluide et d'accroître ainsi, par la diminution de la viscosité induite, son fractionnement lors de l'impact des jets,
- le temps de fragmentation du jet en gouttelettes, - le temps de mise à l'équilibre à la vitesse de l'écoulement du dard plasma d'une gouttelette issue du fractionnement après l'impact des jets (une gouttelette à l'équilibre ne subissant quasiment plus de fractionnement par cisaillement) ,
- le temps d' évaporation des gouttelettes (du moins pour la partie volatilisable) ,
- le temps de séjour du liquide au sein du dard plasma (sans compter le temps de vol avant l' impact) .
Le tableau I suivant donne les ordres de
10 grandeurs de chacun de ces temps sachant qu' ils ne correspondent pas tous à des phénomènes dont les contributions seraient équivalentes au titre de la conversion de la charge. Les temps de conversion chimique étant quant à eux inconnus en milieu plasma,
15 aucune valeur n'est donnée.
La présente invention permet d'optimiser l'injection de la charge liquide pour que les phénomènes physiques (notamment fractionnement et évaporation) soient optimisés.
20
Figure imgf000038_0001
Tableau I
Les paramètres les plus importants pour la conversion de la charge liquide sont le temps de
25 fragmentation, le temps caractéristique pour 1' évaporation des gouttelettes et le temps de séjour (après impact) .
Le temps de mise à l'équilibre des gouttelettes est relativement long par rapport aux autres phénomènes, mais il n'est pas nécessaire de chercher à tout prix à ce que cette mise à l'équilibre intervienne (la mise à l'équilibre hydrodynamique ne traduit en fait que le fait que tout le potentiel de cisaillement du dard a été utilisé, la vitesse relative plasma/liquide étant nulle dès lors que cet équilibre intervient) .
Le temps de vol au sein du dard avant impact n'est, quant à lui, pas négligeable devant le temps de séjour après impact. Cette analyse indique qu'il est préférable de procéder au fractionnement du liquide le plus en amont possible de l'écoulement plasma (sans saturer le dard) et le plus possible dans l'axe de symétrie longitudinal (axe B) de ce dernier, cette approche maximisant le temps de séjour des fines gouttelettes au sein du dard plasma.
Les moyens ou le dispositif formant support d'injecteurs 2 contribuent au bon positionnement et maintien de ces derniers. Ces moyens sont solidaires de la torche.
Le support d'injecteurs peut comporter des moyens pour accueillir N (Nï>l) groupe (s) Gi (i = 1,...N), chacun comportant ni injecteurs (niï> 2) positionnés comme expliqué ci-dessus. Deux groupes d'injecteurs Gi et Gj (i≠j) différents peuvent comporter un nombre d'injecteurs ni et nj différents l'un de l'autre. Le support d'injecteur entourant le dard plasma, celui-ci possède une forme annulaire pouvant être fractionné par tronçon (2a, 2b, 2c) afin d'obtenir un degré de liberté quant aux angles entre les différents plans d'injection (un groupe de deux injecteurs forme un plan (plan d'injection) avec le point de confluence des deux jets issus de ces injecteurs) comme ce qui peut être visualisé pour le cas de la figure 11 où ces plans sont alternativement perpendiculaires entre eux. Chaque groupe d' injecteurs de la figure 11 comporte deux injecteurs. Ces deux injecteurs définissent aussi un axe, perpendiculaire à l'axe B d'écoulement du plasma, mais aussi un plan, avec le point de convergence.
Afin de permettre aux injecteurs de fonctionner dans des conditions optimisées, de température et d'angle d'injection notamment, le support permet de maintenir en température le liquide à injecter, pour en maîtriser notamment la viscosité et compléter un préchauffage ayant pu avoir lieu en amont au cours d'une éventuelle étape de préparation de la charge, comme expliqué ci-dessous. Le liquide étant ainsi, avant injection, déjà porté à une température proche de la température de conversion, le temps de séjour au cœur du dard plasma est optimisé, car utilisé non pas (ou peu) pour chauffer le liquide, mais plutôt pour le convertir rapidement après son fractionnement.
Le matériau du support et/ou de l'injecteur peut être de type réfractaire tout en permettant un transfert thermique suffisant pour permettre un transfert thermique pouvant assurer un préchauffage du liquide à injecter, sans induire des températures superficielles de support d'injecteur trop élevées pour ces derniers ni de risques de cokéfaction de la charge à injecter.
En effet, il peut être mis en évidence, comme illustré sur la figure 12, qu'une augmentation importante du flux de chaleur peut être attendue au droit du support 2 de l'injecteur, zone de rupture du dard plasma 3 propice à des échanges convectifs importants. Sur cette figure, les références 2a, 2b, 2c désignent trois tronçons du support 2 des injecteurs. Ces trois tronçons sont, en cours de fonctionnement de la torche, disposés autour du dard plasma 3. Le tronçon 2c, qui correspond à l'extrémité du dard plasma 3, est celui par rapport auquel le coefficient d'échange thermique est à son maximum, comme indiqué sur la partie supérieure de la figure 12.
Une partie du support 2 d' injecteurs peut donc être utilisée pour récupérer une partie de la chaleur provenant du dard plasma 3. Cette chaleur récupérée peut ensuite être transférée, par conduction, au liquide passant dans les injecteurs. Ce moyen de préchauffage du liquide permet d'en réduire la viscosité, il devient donc plus fluide et va être mieux fractionné dans le plasma. Le cas échéant, en cas de contrainte thermique trop forte au niveau du pic du coefficient d'échange, le tronçon 2c peut être déporté en aval de l'écoulement plasma.
On rappelle qu'un ajustement modéré de l'angle d'injection en fonction de la quantité de mouvement appliquée est possible selon le profilé des débouchants, et en fonction de l'injection de vapeur, comme déjà expliqué ci-dessus.
Le dispositif de la figure IA peut comporter divers moyens périphériques supplémentaires . De tels moyens sont représentés schématiquement sur la figure IB.
Des moyens 4 peuvent ainsi être prévus pour préparer la charge liquide et mettre en pression et/ou en température le liquide à injecter par les injecteurs dans le dard 3 du plasma.
Éventuellement, des moyens 5, 5a, 5b peuvent être prévus pour réaliser un contrôle de la qualité de l'injection.
Des moyens 6 peuvent permettre un suivi de la pulsation de la torche à plasma à laquelle est associée la batterie d' injecteurs .
Des moyens 7a, 7b de traitement des données permettent, à partir de données correspondant à diverses mesures effectuées sur le système, par exemple à partir de données fournies par les moyens 5a, 5b, 6 de réajuster, si besoin est, la composition de la charge et/ou les conditions de fonctionnement du plasma. Par exemple ces moyens permettent d'ajuster, par exemple de minimiser, le déphasage entre la période d'une impulsion du dard plasma 3 et la période d'une impulsion de l'injection.
Selon un exemple de réalisation les moyens 4 de préparation (mise en pression et en température) de la charge comportent par exemple : - un réservoir 4a de réserve tampon de la charge liquide brute, - un réservoir d'eau 4b (ce peut être de l'eau chargée en résidus organiques issus du traitement d' effluents) ,
- un réservoir 4c de démixtion ou d'ajustement de la teneur en eau (pour que la réaction de conversion puisse être totale d'un point de vue stœchiométrique) .
Eventuellement un décanteur 4d permet la séparation grossière des phases issues de la démixtion du liquide brut, si cette dernière est possible.
En effet, ce phénomène de démixtion (il existe un diagramme de phase pour, par exemple, la biohuile comme pour d'autres composés hydrocarbonés spécifiques ; cf. figure 15) qui est relativement préjudiciable dans bon nombre de procédés peut être, dans le cas de la présente invention, utilisé avantageusement pour séparer les composés organiques lourds, et difficiles à convertir, de la phase légère, plus aisée à convertir, sans surcoût financier important. Une fois séparée, la phase lourde pourra avantageusement être injectée au cœur du dard plasma, au sortir de la torche à plasma (le plus porche possible de la base 33, voir figure 17 et 18) pour bénéficier, au mieux, de la zone optimisant le fractionnement, alors que la phase plus légère (et plus aisée à convertir à priori), pourra être injectée en queue de dard plasma ou comme vapeur au niveau de buses d'injection de vapeur (comme les buses la, la' sur la figure 13) , permettant également de créer un degré de liberté supplémentaire quant à l'angle d'injection de la charge liquide à convertir. Des filtres (ici au nombre de deux) ou des moyens séparateurs (par exemple de type centrifugeuse) 41, 41' peuvent permettre une séparation plus fine des phases issues du décanteur. Une pompe 4k' permet de recycler la phase non souhaitée (par exemple la phase organique dans la zone de préparation de la phase aqueuse) dans les moyens 4d pour réaliser la décantation.
Des moyens 4h permettent de réaliser une mesure de la teneur en eau en sortie du réservoir 4c de démixtion. En effet, afin de contrôler le phénomène de démixtion, une mesure de la teneur en eau peut être réalisée (par exemple par une mesure de type Karl Fischer) . On peut connaître par ailleurs, par mesure de composition élémentaire, à l'aide des moyens 4i, en amont de l'introduction de la charge liquide organique dans le volume tampon 4c, la teneur en carbone, oxygène et hydrogène de la charge à convertir.
Il est alors possible de connaître la quantité d'eau à additionner pour garantir une gazéification complète (telle que décrite par exemple par la réaction 1 ci-dessus) . Des moyens 4e d'alimentation en gaz sous pression (par exemple : de l'azote, ou du CO2, ou du méthane ou de la vapeur d'eau) peuvent être prévus au droit d'un réservoir tampon 4f, situé sur la ligne d'injection, pour solubiliser au besoin ce gaz dans la charge liquide. Ce gaz pourra, au sortir des injecteurs, commencer à désorber et permettre un ajustement de la composition du milieu (notamment en espèces oxydantes) . Cette solubilisation d'un gaz suivi de sa désorption rapide (du fait des gradients de température et de pression importants) au cœur du réacteur, mais surtout du dard plasma, permet de favoriser le phénomène de fractionnement visé. En effet, elle est susceptible d'entraîner la formation de gouttelettes de gaz au sein du liquide à convertir qui, sous l'effet de la température seront enclines, par microéclatement à fractionner localement le liquide injecté.
Le gaz à solubiliser peut représenter une faible masse par rapport au liquide à convertir (au contraire de la nébulisation par gaz vecteur) . Ceci conduit à un fractionnement du liquide à convertir et permet également d'apporter un réactif supplémentaire pour la conversion de ce dernier.
Des moyens 4g, 4g' de mise en pression de la charge à convertir permettent d'assurer sa vitesse d'injection et donc sa quantité de mouvement. Ces moyens permettent un ajustement de la pression pour maintenir celle-ci, continue ou variable, selon une périodicité et un signal (pression sinusoïdale par exemple en fonction du temps) adaptés à l'écoulement du dard plasma ; en particulier on obtient ainsi une possibilité de faire osciller la pression d'injection pour s'adapter aux fluctuations du dard plasma, que met en évidence, par exemple, l'oscilloscope 6a. Ces moyens 4g, 4g' sont pilotés par le microprocesseur 7a. Un système 4j de distribution de solide divisé et de tensio-actif permet optionnellement une formulation in situ d'une charge de type slurry.
Un échangeur thermique 4m, lui aussi optionnel, permet de vaporiser la phase aqueuse avant qu'elle ne soit injectée, en vue de former une phase vapeur à injecter séparément, comme déjà expliqué ci- dessus, par exemple par les buses la, la' , Ic, Ic' de la figure IA. Pour chauffer cette phase aqueuse, on peut récupérer la chaleur issue d'un système de refroidissement du réacteur et des électrodes de la torche à plasma.
Des moyens 4p, 4o permettent un contrôle de la bonne séparation (par décantation) par mesure de densité des phases, au droit du décanteur 4d de démixtion .
Les moyens 4i, 4h, 4o, 4p fournissent des mesures à des moyens de type processeur 7a pour gérer la préparation du liquide à injecter. Les conduits 40, 41 qui vont permettre respectivement d'injecter la phase liquide, et éventuellement la phase vapeur séparée, peuvent être chauffés, par exemple par un cordon chauffant, ou encore par du gaz chaud récupéré en sortie de torche 3 et injecté dans une double enveloppe autour des conduits .
Un dispositif selon l'invention peut comporter des moyens 5 pour contrôler la qualité de 1' injection . Un exemple de ces moyens est un ensemble de diagnostic optique 5a permettant, par analyse d'images au travers d'un ou plusieurs hublot (s) 51, 53, comme représenté plus précisément sur la figure 16, de procéder au diagnostic de la qualité de la fragmentation . Un tel ensemble comporte par exemple une caméra haute définition 5b et un laser puisé 5b' permettant d'éclairer et visualiser la position ou le déplacement des gouttelettes de charge liquide au sein du dard. Eventuellement, un système de filtres 55, associées à la caméra 5a et adaptés à la nature des gaz plasmagènes, permet de s'affranchir de l'émissivité propre du plasma et de distinguer les gouttelettes de liquide éclairé par le faisceau du laser. Un gaz neutre de balayage (de l'azote sur la figure 16) permet d'éviter un dépôt de suie sur le hublot 51.
Un second exemple de ces moyens est un ensemble 5c de diagnostic permettant, au sortir du réacteur (ou même à différentes cotes à l'intérieur du réacteur, si le temps de séjour des gaz dans ce dernier est trop important) de suivre la composition des gaz permanents. A partir des données obtenues par ces mesures, on peut en déduire un premier ordre de grandeur de la performance du niveau de l'injection
(par exemple par un suivi du taux de conversion, ou du niveau de fractionnement au sein du dard) ) .
Parallèlement à cela, il est possible de coupler la mesure avec une mesure de type PID (détection par Photo-Ionisation à l'aide d'une lampe UV, d'énergie voisine de 10,6 eV) , pour ne pas être perturbé par la matrice gazeuse des gaz refroidis, donnant en ligne une estimation de la teneur en goudrons et bio-huile ou de la charge organique non totalement convertie. Ces dispositifs sont précédés d'un système de trempe thermique et de filtres (classiques et non représentés) pour figer la cinétique de conversion des espèces, permettre le refroidissement du flux gazeux et éliminer les possibles traces de suies avant l'introduction des flux à analyser, par exemple dans un chromatographe 5c en phase gazeuse, et dans le PID. En fonction des résultats des moyens de diagnostic, les moyens 7a processeurs, qui peuvent intégrer un système de régulation propre, actionnent les éléments de pilotage du système d'injection et de préparation de la charge (angle d'injection, quantité de mouvement, teneur en eau, ...) pour adapter ces derniers .
Des moyens peuvent en outre être prévus pour adapter l'injection de la charge liquide à convertir à d'éventuelles modifications du dard plasma, et notamment à d'éventuelles variations de la pulsation de la torche.
En effet le dard issu d'une torche à plasma d'arc soufflé peut être sujet à des pulsations du fait des instabilités générées, notamment lors de la rupture et la régénération de l'arc électrique à l'intérieur de la tête de torche. Ces modifications (notamment du niveau de température) sont relativement périodiques et peuvent être suivies indirectement par l'enregistrement en continu de la tension aux bornes des électrodes 30, 31 (figure IA), comme illustré en figure 21. La périodicité des pulsations du dard issues de la torche étant relativement constante pour une torche et des conditions de fonctionnement données, il n'est pas nécessairement utile (et de toute façon cela est parfois impossible du fait de la fréquence de pulsation) d'adapter en temps réel l'injection à ces pulsations. On peut cependant contrôler l'absence de dérive de la périodicité et la bonne synchronisation des pulsations avec les injections de jet liquide (si celles-ci sont puisées) , notamment pour : - limiter les risques d'engorgement du dard plasma avec la charge à convertir,
- bénéficier d'un dard plasma qui soit le plus efficace possible (et donc le plus chaud) sur une période donnée. En cas de constatation de dérive de la périodicité (pouvant être mesurée par un oscilloscope 6 à acquisition rapide, figure IB) , il est possible d'ajuster les paramètres d'injection pour se caler dans la périodicité choisie. Pour ce faire, le système de diagnostic est relié lui aussi au processeur 7a qui compare régulièrement les paramètres de périodicité et de phase entre la commande de l'injection et les puises du dard plasma . Le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention peut être décrit de la manière suivante.
La torche plasma produit le dard plasma 3, dans lequel les injecteurs de liquide injectent la charge à convertir. Des moyens de préparation de la charge fournissent une charge adaptée aux injecteurs. Des moyens de diagnostic de la qualité de l'injection permettent d'observer la fragmentation des jets et de suivre la composition des gaz permanents.
Par ailleurs, des moyens de contrôle permettent de réaliser un suivi de la pulsation de la torche .
Les moyens de diagnostic, les moyens de contrôle et les moyens de préparation de la charge envoient les informations qu'ils ont recueillies à des moyens 7a, 7b de traitement des données.
À leur tour, ces moyens de traitement des données peuvent commander les moyens de préparation de la charge, en vue d'une adaptation de la composition de la charge en fonction des informations recueillies. Les moyens de traitement permettent également de contrôler les impulsions des injecteurs par rapport aux impulsions du plasma, par exemple pour les recaler par rapport à ces dernières.
Un exemple de réalisation d'un système d'injection, conforme à l'invention, va maintenant être donné .
Cet exemple met en œuvre une torche plasma à arc non transféré, de puissance 2 MW électrique, en vue de la conversion optimisée de la bio-huile par la meilleure injection de la bio-huile au sein du dard plasma .
Les données de fonctionnement suivantes ont été retenues :
- diamètre de la tuyère de torche : 60 mm, - longueur du dard plasma : 300 mm (la température et la vitesse de l'écoulement du dard sont supposées constante sur cette zone, ce qui simplifie les calculs) ,
- forme du dard : conique,
- température du dard : 7000 K, - masse volumique du dard : 3,49. 10~2 kg/m3,
- masse volumique de la bio-huile : 1200 kg/m3,
- rendement thermique de la torche plasma : 90 %,
- enthalpie de transformation de la charge liquide à convertir : 11 MJ/kg (la composition CxHyOz de la charge est supposée idéale pour ne pas avoir à injecter un complément d'eau).
Au vu de ces données, la capacité maximale du système de traitement (Qmax) est voisine de 600 kg/h. Un nombre raisonnable de 6 injecteurs peut être retenu pour assurer cette distribution au sein du dard plasma, les axes des injecteurs étant alternés comme présenté en figure 11. La figure 17 donne, pour une représentation où les injecteurs seraient dans le même plan (celui de la figure) , les différentes notations pour le positionnement et les angles des injecteurs ; en particulier :
- R et L sont respectivement le rayon du plasma à sa base, mesuré à partir de l'axe d'écoulement du plasma, et la longueur du dard plasma à partir de la base,
- ri désigne la longueur, mesurée sur l'axe d'écoulement du plasma, de la zone de fractionnement ou des nappes liquides, lors de la confluence des jets,
- la position, sur l'axe d'écoulement du plasma, de chaque zone de confluence de deux jets est désignée par xi, - Hi désigne la position, sur un axe perpendiculaire à l'axe d'écoulement du plasma et placé dans le plan de la figure, de l'intersection de chaque perpendiculaire à l'axe d'écoulement passant par chaque point de confluence de jets avec l'un des grands côtés du triangle schématisant le dard plasma,
- x' i (respectivement H'i) désigne la position, sur l'axe d'écoulement du plasma
(respectivement sur un axe perpendiculaire à cet axe d'écoulement et placé dans le plan de la figure), de la projection orthogonale de l'intersection de chaque jet avec le côté le plus proche du triangle schématisant le dard plasma.
Avec les notations de la figure 17 et 18 (sur lesquelles le dard plasma est schématisé par un triangle) on a :
R + xi.tanθ x'i = (avec i = 2 ou 3) , iî/Z + tanθ,
Hi' = tanθi . xi'- tanθi.xi (avec i = 2 ou 3) , Hi = R - R/L. xi (avec i = 1, 2 ou 3) . Les Hi sont indiqués sur la figure 17.
Sans perturbation spécifique, la confluence de deux jets permet d'obtenir la formation d'une nappe liquide résultante dont la longueur dépend notamment de l'angle d'incidence des jets. D'une manière générale, il est possible d'estimer le rapport er/(Φ/2)2 en fonction de l'angle β tel que défini sur la figure 19, où Φ est le diamètre d'injection de l'injecteur correspondant) .
En extrapolant les maxima de r (distance entre le point de confluence des jets 10, 10' et un point courant R de la périphérie de la nappe) en fonction de l'angle d'incidence θ des jets et en posant que l'épaisseur e des nappes 13 est d'un ordre de grandeur plus petit que le rayon des jets liquides confluents 10, 10', les valeurs maximales (du fait qu'en réalité le dard plasma tend à réduire le développement de ces nappes liquides) suivantes des longueurs des nappes résultantes de la confluence des jets peuvent être données en premières approximations :
Figure imgf000053_0001
(Φi : étant le diamètre d'injection des jets des injecteurs i) .
Les volumes élémentaires δvi définis comme décrits dans la figure 18 permettent alors de définir les taux d'occupation de la charge liquide (τi) pour les volumes élémentaires englobant les points d' injection .
Soit δvi le volume élémentaire englobant le point de cote xi, la valeur de ce volume élémentaire à l'expression suivante : δvi = 1/3. π . [ri + (xi' - xi)]. (Hi'2 + Hi'. Hi + Hi2).
En notant qi le rapport de la quantité de mouvement du jet de l'injecteur i par rapport à celle du dard plasma, et Qi le débit de liquide de l'injecteur i, on peut fixer la règle suivante : - si xi augmente, alors :
• supérieur à 1 pour assurer la pénétration θi et Φi diminuent tous deux, mais restent chacun un paramètre de conduite du processus ; • Qi, lui aussi paramètre de conduite, diminue, mais ∑Qi < Qmax,
• τi peut être variable, même si il tend à baisser, et reste inférieur à 1 %,
• qi, lui aussi paramètre de conduite, est choisi du dard par le liquide.
En suivant cette règle la configuration pour l'exemple de réalisation recherchée peut être celle indiquée en tableau II, configuration pour laquelle il pourra être recherché, en cours de fonctionnement, la minimisation de ε (distance entre deux zones d' occupation du dard par de la matière liquide, voir figure 18) et l'ajustement des τi (au vu des éléments de diagnostic de la qualité de l'injection) au moyen des paramètres de conduite que sont θi, Qi et qi :
Figure imgf000054_0001
Tableau II.
Plus généralement, au-delà de cet exemple, quelle que soit la configuration retenue (donc quel que soit le nombre de groupes d'injecteurs et le nombre d'injecteurs par groupe d'injecteurs) on pourra avantageusement chercher à ce que, pour deux groupes d'injecteurs, dont le premier est plus proche de la base 33 du plasma que le deuxième, le premier ayant des paramètres τl, θl, Φl, ql et Ql et le deuxième ayant des paramètres τ2, Θ2, Φ2, q2 et Q2 :
- θl> Θ2 et Φl> Φ2 ;
- Q1>Q2, mais ∑Qi < Qmax (Qmax = débit total (défini en fonction de la puissance thermique disponible dans le dard plasma et l'enthalpie de transformation de la charge (énergie pour convertir la charge par unité de masse) , soit ici environ 600 1/h) τl et τ2 < 1 % ; - ql et q2 sont tous deux supérieurs à 1.
D'une manière générale, le dispositif constituant la présente invention permet, pour assurer la meilleure conversion possible de la charge, de trouver le meilleur compromis entre : - un fractionnement optimisé du liquide à convertir permettant une optimisation de la surface d'échange entre le liquide et le dard plasma,
- un temps de séjour de la charge au sein du dard le plus important possible, - une utilisation maximisée des températures les plus importantes au sein du dard plasma,
- une utilisation maximisée de la teneur en espèces actives du dard plasma, sachant que la conversion de la charge est elle-même une fonction croissante des paramètres précédemment cités (Conversion = f(t, Séchange miiieu/réactif, T°, Comp) ) .
L'invention s'applique à la conversion de liquides tels que les bio-huiles, ou encore des boues de station d'épuration, ou encore des « slurry » ou particules résultant de la pulvérisation d'un solide, ces particules étant mélangées à un liquide pour l'injection dans la torche plasma.
L'invention s'applique également à l'injection et/ou la conversion d'un liquide de type bio-huile ou, plus généralement, renfermant potentiellement de fines particules ou, plus généralement encore, relativement difficiles à nébuliser (ou atomiser) de par ses propriétés physico- chimiques (notamment sa viscosité) .
Un procédé de gazéification de la bio-huile permet de fournir un gaz adapté à la production de carburant de synthèse.
Comme déjà expliqué en introduction, la bio-huile peut être obtenue par pyrolyse flash, procédé thermochimique (à une température T ≈ 5000C) dans lequel la biomasse est chauffée rapidement en absence d'oxygène. Sous l'effet de la chaleur, la biomasse se décompose et conduit à la formation de gaz permanents, de vapeurs condensables, d'aérosols et de résidus carbonés. Après refroidissement et condensation des composés volatils et des aérosols, on obtient typiquement un liquide marron foncé, la bio-huile. Celle-ci est ensuite gazéifiée par injection dans une torche à plasma, selon la présente invention, ce qui permet de limiter ou d'éviter la présence de goudrons (on est en dessous de la valeur limite de 0,1 mg/Nm3) .
L' invention peut également être avantageusement mise en œuvre pour le cas de procédés nécessitant l'utilisation de dard plasma ou de flamme (s) ou d'un fluide relativement chaud (s) ou générant une grande quantité de mouvement ne rendant pas aisé le mélange entre la charge et ce dard (ou cette flamme ou ce fluide chaud ou générant une grande quantité de mouvement) . Un système selon l'invention permet en outre d'accepter les variations de densité du liquide à convertir. En effet, avec d'autres systèmes, s'il y a variation de la densité du liquide, un ajustement pouvant être lourd est nécessaire.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'injection de matière liquide dans une torche plasma, comportant N (N > 1) groupes d'injecteurs Gi (i=l,...N) disposés sur le pourtour d'une zone d'écoulement du plasma (3), et le long de l'axe d'écoulement du plasma, chaque groupe Gi comportant au moins ni (ni > 2) injecteurs (Ib, Ib', Id, Id' , If, If ) qui sont disposés de manière à ce que chacun injecte dans le plasma ladite matière liquide suivant une direction (10, 10') au moins partiellement opposée à la direction d'écoulement du plasma, les ni injecteurs d'un même groupe d'injecteurs Gi étant disposés sur le pourtour de la zone d'écoulement du plasma avec un écart angulaire de 360°/ (ni) l'un par rapport à l'autre et de manière à ce que les ni injecteurs jets de liquide qu'ils injectent dans le plasma forment chacun la génératrice d'un cône dont le sommet est situé sensiblement sur l'écoulement du plasma.
2. Dispositif selon la revendication 1, l'angle d'incidence des axes de projection des injecteurs, par rapport à l'axe découlement du plasma, étant d'autant plus faible que les injecteurs sont disposés loin de la base (33) du dard plasma (3) .
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, au moins un injecteur comportant des moyens piézoélectriques pour fractionner le liquide injecté.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, au moins un injecteur comportant un profil intérieur hélicoïdal (120).
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des moyens pour injecter dans au moins une partie des injecteurs des trains de jets liquides en impulsion.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, au moins une partie des injecteurs comportant en outre chacun une buse (la, la', Ic, Ic') d'injection de vapeur pour injecter un jet de vapeur simultanément au jet de liquide.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, comportant en outre des moyens (4g, 4g' ) de mise sous pression de la charge liquide à convertir .
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, comportant en outre des moyens pour séparer d'une part les composés organiques lourds du liquide à convertir, et d'autre part de la phase légère de ce même liquide.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, comportant en outre des moyens (4m') pour vaporiser la phase aqueuse avant qu'elle ne soit injectée.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, comportant en outre des moyens optiques pour contrôler et éventuellement adapter la qualité de l'injection de la charge liquide à convertir à des modifications du dard plasma.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, comportant en outre des moyens (6, 7) pour adapter l'injection de la charge liquide à convertir à des modifications du dard plasma.
12. Procédé d'injection de matière liquide dans une torche plasma, dans lequel on injecte le liquide par N (N > 1) groupes d'injecteurs Gi (i=l,...N) disposés sur le pourtour d'une zone d'écoulement du plasma (3) , chaque groupe comportant au moins ni (ni ;> 2) injecteurs (Ib, Ib', Id, Id', If, If) disposés de manière à ce que chacun injecte au moins une partie de ladite matière liquide dans le plasma suivant une direction au moins partiellement opposée (A) à la direction d'écoulement (B) de ce dernier, les ni injecteurs d'un même groupe d'injecteurs étant disposés sur le pourtour de la zone d'écoulement du plasma avec un écart angulaire de 360°/ (ni) l'un par rapport à l'autre et de manière à ce que les jets de liquide qu'ils injectent dans le plasma forment chacun la génératrice d'un cône dont le sommet est situé sensiblement sur l'écoulement du plasma.
13. Procédé selon la revendication 12, le liquide étant une bio-huile, ou une boue de station d'épuration, ou un mélange de particules solides et d'un liquide.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, une partie de la chaleur dégagée par le plasma étant récupérée par le support d'injecteurs puis ensuite transférée, par conduction, au liquide passant dans les injecteurs.
15. Procédé selon l'une des revendications
12 à 14, dans lequel on injecte dans au moins une partie des injecteurs des trains de jets liquides en impulsion .
16. Procédé selon l'une des revendications
12 à 15, dans lequel on injecte, dans au moins une partie des jets de liquide, un jet de vapeur simultanément au jet de liquide.
17. Procédé selon la revendication 16, le liquide étant préalablement séparé entre une première partie, vaporisable à une température inférieure à la température moyenne du plasma et une deuxième partie, à injecter dans le plasma sous forme liquide.
18. Procédé selon l'une des revendications 12 à 17, dans lequel on ajoute de l'eau dans le liquide à injecter.
19. Procédé selon l'une des revendications 12 à 18, dans lequel on forme une couche (11, 11') de vapeur à l'extérieur du dard plasma.
20. Procédé selon l'une des revendications
12 à 19, les jets de liquide des n injecteurs d'un même groupe d' injecteurs étant confluents dans le plasma.
21. Procédé selon la revendication 20, la zone de confluence des jets étant située sensiblement sur l'axe d'écoulement du plasma (3).
22. Procédé selon l'une des revendications 12 à 21, dans lequel l'angle d'injection d'au moins un jet dans le plasma est modifié.
23. Procédé selon la revendication 22, dans lequel l'angle d'injection d'au moins un jet est modifié par variation de la pression de fluide dans ce jet.
24. Procédé selon l'une des revendications 12 à 23, dans lequel une quantité de mouvement rotationnelle est appliquée à au moins un jet de liquide.
25. Procédé selon l'une des revendications 12 à 23, dans lequel on injecte du liquide avec des injecteurs de différents groupes d' injecteurs comportant des angles d'incidence différents par rapport à l'axe d'écoulement du plasma.
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