WO2014076381A1 - Procede et dispositif de traitement de matiere fragmentee ou pulverisee biphasee par flux de plasma reactif non isothermique - Google Patents

Procede et dispositif de traitement de matiere fragmentee ou pulverisee biphasee par flux de plasma reactif non isothermique Download PDF

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Pavel Koulik
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Definitions

  • the present invention consists in a method for treating fragmented or pulverized material, two-phase, ie composed of a stream of fluid (advantageously gas) carrying solid-phase or liquid-phase fragments, by a non-plasma stream. isothermal reactive pressure at or near atmospheric pressure, and a device for carrying out this method.
  • plasma reactors have attracted attention, particularly in relation to the technologies of matter transformation by plasmochemistry, and in particular with the combustion of organic matter, the recycling of biomass, the destruction and processing of products, waste, generation of chemicals.
  • isothermal we mean the plasmas whose temperatures of the various components, especially heavy particles (molecules, atoms, radicals, ions) T
  • a plasma isothermal when, at any point of its volume, the condition is realized:
  • the state of the art has led the users of the technologies of plasmas that they deem more effective than the traditional methods of transformation of the material, to design reactors using isothermal plasmas (that is to say in state thermodynamic equilibrium), mainly at atmospheric pressure, such as generators DC, AC, radio frequency or microwave arcs.
  • the temperature of the plasmas produced and used is of the order of 6,000 - 15,000 K depending on the generation conditions. It is clear that such plasmas are effective in destroying (breaking down) organic molecules. They are also effective in destroying non-organic molecules.
  • T e ) determines the concentration of electrons necessary for the electrical conductivity of the plasma, the latter ensuring the energy balance of the plasma. electric arc and the resulting plasma jet. This temperature level is however excessive for the realization of the plasmochemical reactions which only require temperatures in the ranges from 1000 K to 3000 K. The temperature level (6 000 - 12 000 K) leads to enormous energy expenditure and constructions. These complexes make the very reasons for the use of isothermal plasma reactors questionable.
  • the solution is to use a non-isothermal plasma. Indeed, if the amplitude of the electric field which generates and accelerates the electrons of the plasma and causes the excitation and ionization reactions there is rather high, the plasma becomes non-isothermal, that is to say. than :
  • T is the temperature of the heavy components (molecules, radicals, atoms, ions) of the plasma (K);
  • Q. is the cross section of elastic collisions between electrons and neutral plasma components (m 2 );
  • n e is the concentration of free electrons (m 3 )
  • the temperature of the electrons can be determined by the relation (see, for example, H.Hingana "Contribution to the study of the properties of plasmas at two temperatures.” Ph.D. thesis Paul Sabatier University, Toulouse, December 2010)
  • m e is the mass of electrons (9.1 10-31 kg)
  • mi is the mass (average) of the neutral heavy components of the plasma
  • the temperature level of the heavy components (Ti) may be of the order of 1000 - 3000K, which is sufficient to achieve the intended chemical reactions without formation of harmful chemical components, while the temperature of the Electrons are typically in the range of 6,000 - 15,000 K, which ensures sufficient electric current to support the electric shock mechanism and energy balance of the plasma jet.
  • Non-isothermal plasma generators have been proposed, protected by patents, and exploited at the industrial level (see, for example, Engelsht VS, Saichenko AN, Okopnik GM, Musin NU XI Vsesoyuznaya Konf, Po Generator Nizkotemperaturnoy Plazmi, Novosibirsk, 1989, P 255, Desiatkov GA, Enguelsht VS, Saichenko AN, Musin NU, and Lasma Jets in the Development of New Materials Technology, Proc.Of the International Workshop 3-9 September , Frunze, USSR Ed.
  • the movement of the arc can be, in addition, biased by the dynamic pressure of a longitudinal stream of propellant gas which contributes to forming the plasma jet downstream of the electrodes.
  • This plasma cloud can ensure the existence of a conductive area of electricity in the absence of electric current during its lifetime. It is therefore possible to feed the arc not only with direct current but also with alternating current, for example with a frequency of 50 Hz, provided that the lifetime of the plasma cloud is greater than the pause which separates the voltage meanders. between the electrodes.
  • the current lines then bend, subjected, on the one hand, to the drag force of the propellant gas flow and to the electromagnetic force and, on the other hand, to the hydrodynamic resistance of the arc which tends to maintain its position in the most ionized area of space.
  • the plasma used remains unstable. This instability is mainly due to the turbulent nature of the propellant gas flow. The dimensions of the plasma jet are reduced and do not make it possible to treat fragmented flows as defined above.
  • the invention (P.Koulik, A. Saychenko, METHOD AND DEVICE FOR THE GENERATION OF A NON-ISOTHERMIC PLASMA JET, Patent FR10 / 01928, PCT / FR 2011/000277 (WO 2011/138525 A1), priority date 05.05.2010) partly solves the problem and increases the volume of the generated plasma and its contact surface with the treated medium.
  • the proposed solution of "laminarization" of the method of generating the plasma jet is not sufficient.
  • an object of the present invention is to develop a larger contact surface plasma reactor than in existing reactors. This goal can only be achieved by generating and operating a jets of non-isothermal stable plasma, at a pressure close to or above atmospheric pressure, the pressures above atmospheric pressure being useful, even essential to intervene. in dense media, such as, for example, plasmochemical reactors, in particular for biomass transformation, combustion chambers of gas turbines, etc.
  • the quasi-stable term means that the average parameters of the plasma are substantially constant over time over periods greater than the period of generation of the electric current, but substantially variable over periods of time which are shorter than the period of generation of the electric current supplying electricity. plasma.
  • the temperature of the heavy particles molecules, radicals, atoms, ions
  • the temperature of the electrons is substantially higher (for example 10,000 K - 15,000 K). This plasma is especially advantageous in practice for pressures near or above atmospheric pressure.
  • a source of bipolar pulse power current generated at high frequencies for example between 1 kHz and 100 MHz
  • pulse durations for example, between 1 and 1000 ms, pauses between pulses between 1 and 1000 ms, an open circuit voltage amplitude, for example, between 0.1 and 30 kV and an electrical current amplitude, for example, between 0.1 and 30 A.
  • a great advantage is any technology capable of providing variable controlled treatment depending on the composition of the filler gas, the material of the fragments or the particles resulting from the spraying, the shape, the nature, and the composition the treated product, as well as the dimensions of the fragments or particles sprayed.
  • Fig. 1 shows the embodiment of the power supply of the plasmatron as claimed in the present invention, with the inductors for limiting the electric current in the plasma disposed either in the primary or in the secondary of the plasma generating transformer.
  • FIG. 2 illustrates the embodiment of a conical reactor using a stream jet fragmented at an angle ⁇ relative to the plane perpendicular to the axis of the reactor and a non-isothermal plasma stream at an angle ⁇ relative to the plane perpendicular to the axis of the reactor, plasma created by a generator of high-voltage arcs between three electrodes in alternating current regime consisting of bipolar pulses at limited current and controlled variable frequency.
  • Fig.2a is a longitudinal section of the reactor using a single plasma jet generator
  • Fig.2b radial section of the reactor using two non-isothermal plasma jet generators.
  • FIG. 3 illustrates the embodiment of a cylindrical hermetic reactor for implementing the present invention in the case where the flows of plasma and fragmented or pulverized product streams are directed toward each other and are used for the production of fuel gas (hydrogen, syngas).
  • fuel gas hydrogen, syngas
  • FIG. 4 illustrates the production of a hermetically sealed cylindrical reactor, for example, for the manufacture of biogas, in the case where the material to be treated is fragmented and propelled into the reactor by a worm and the surplus of Untreated material fragments are returned to the reactor inlet.
  • Fig. 5b shows the coaxial reactor of FIG. 5a in elevation.
  • Fig. 6 shows the diagram of a reactor in the extreme case where ⁇ ⁇ ⁇ 0 ° which illustrates, for example, the application of conversion of biomass fuel product.
  • Optimizing the process by increasing the temperature and the speed of the reactive flow is of little use because, from a certain intensity of heat flow, the material is resistant to treatment following ablation, a well-known hydrodynamic phenomenon, for example, in the technique of thermal protection of spaceships as they enter the dense layers of the Earth's atmosphere.
  • the plasma in such a jet is in a non-thermal state (PIT) as defined by the formulas (1) - (3), which gives principle advantages to the present invention.
  • the present invention allows the exploitation of these advantages based on the optimization of the use of the excited states of the plasma particles and those of the medium in contact with the plasma.
  • the plasma is generated by the passage of the electric current (non-stationary) in the flow of gas which bathes the electrodes between which is established a strong potential difference (for example, ⁇ 10 - 100 kV).
  • a strong potential difference for example, ⁇ 10 - 100 kV.
  • the generation frequency i 1 / ti (this generation can advantageously be carried out in the form of high-frequency bipolar wave sine waves);
  • ⁇ 2 ⁇ / UI
  • ⁇ is the quantity of energy contained in the plasma jet (typically, ⁇ ⁇ 10 3 J)
  • ⁇ is the average cross section of the inelastic interactions of electrons with plasma particles ( ⁇ , ⁇ 10 "20 m 2 , (see, for example, B. Smirnov" Plasma Processes and Plasma kinetics "Wiley - VCH Verlag GmbH 2Co KGaA 2007 ));
  • P is the pressure (P ⁇ 10 5 Pa);
  • T is the temperature of the heavy particles of the plasma (typically T ⁇ 2 10 3 K).
  • the process claimed in the present invention is characterized in that the PIT non-thermal plasma jets at intermediate temperatures, driven in their helical movement, are fed with bipolar AC voltage and current in pulses, each pulse being consisting of a wave pack of respective amplitudes U, for example between 0.1 and 100 kV, and I, for example between 0.1 and 30 A, generated at a frequency v 1; for example between 50Hz and 100 MHz, the quantities U, I, and Vi being sufficient to ignite the plasma by short-circuit spark, and whose duration ⁇ 2 , for example between 1 and 1000 ms, is sufficient to reach a temperature Given in the margins 1000 ⁇ " ⁇ ⁇ 6000 K and lower than the temperature of the isothermal stationary plasma (in thermodynamic equilibrium) generated at the frequency v the pulses repeating at time intervals ⁇ 3 , for example between 1 and 1000 ms , less than the relaxation time of the plasma, the latter being equal to the maximum duration of recombination of the electrons with the ions generated in the
  • ⁇ 2 ⁇ / ⁇ . ⁇ .
  • Wpi is the quantity of energy contained in the plasma jet of volume W p i and of molecular density n p1 (typically at atmospheric pressure ⁇ ⁇ 10 3 ) ⁇ 3 ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ⁇
  • ⁇ ⁇ is the median recombination cross section of electrons with plasma ions ( ⁇ ⁇ ⁇ 10 "20 m 2 ) (see, for example, B. Smirnov," Plasma Processes and Plasma Kinetics “Wiley - VCH Verlag GmbH 2Co KGaA 2007);
  • P is the pressure (P> 10 5 Pa)
  • Ti is the temperature of the heavy particles of the plasma (T ⁇ 2 10 3 K),
  • Fig. 1 illustrates the character of the feed pulses of the discharge.
  • the frequencies of the grating ( ⁇ 2 ⁇ ⁇ 3 ⁇ 10 "2 s) used in the invention can be optimized taking into account the conditions of the present invention: the length of the plasma jet obtained by applying the invention mentioned is ⁇ 1.5 m for a generation power of ⁇ 100 kW while the length of the plasma jet, achievable I in application of the present invention, can reach 3m and more.
  • the diameter of the formed plasma zone can reach 0.2 - 0.3 m.
  • plasma (as mentioned above), sufficient to make it possible to impose on the flow of plasma, on the one hand, and on the flow of gas which supports the fragments of material to be treated or the elements sprayed, on the other hand, coaxial helical trajectories at angles a and ⁇ , respectively, with respect to the plane perpendicular to the axis of the cylindrical or conical reactor, which makes it possible to perform efficiently
  • Y is the length of the reactor (m);
  • ⁇ is the plasma jet length from the plasmatron along the helical path (m):
  • j is the number of plasmatrons operating in parallel
  • U is the amplitude of the voltage applied between the plasmatron electrodes (V);
  • I is the amplitude of the intensity of the current passing between two electrodes (A);
  • D e is the diameter of the turn along which the plasma moves (m);
  • V s is the speed of the plasmatron feed gas (m / s).
  • k p is an empirical coefficient (k p ⁇ 6.31 10 -2 m 5 J " ° 3 s 0 ' 3 )
  • U is the speed of the incoming flow of the fragments (m / s);
  • ⁇ is the depth of treatment of the fragment of material or of the pulverized element (m) ATf is the temperature increase of the fraction (6) of fragment treated
  • i is the number of stream streams loaded with fragments introduced simultaneously into the reactor (degrees);
  • Q p is the density of the energy flux transferred by the plasma to the treated fragment (W / m 2 )
  • k is the Boltzmann constant (1.38 10 ⁇ 23 J / K);
  • T is the average temperature of the plasma (K)
  • m is the average molecular weight of the plasma particles (kg);
  • E is the average amount of energy contributed by the plasma particles (in practice,
  • I is the average size of the fragments or elements sprayed (m)
  • ⁇ is the scattering cross section of the plasma particles (for air, ⁇ ⁇ 10 "19 m 2 ).
  • ⁇ is the average molar mass of the plasma particles (kg / mol).
  • the relations (6 - 8) express the condition that the passage time in the reactor of the material fragment to be treated is at least equal to the time required for the energy coming from the plasma and necessary for the desired reaction to be transmitted to the reactor. fragment (to the pulverized element).
  • the reactor becomes a device in which the plasma jet and the jet of gas carrying the fragments (the dust grains, the pulverized elements) are coaxial and no cyclone is necessary, the two jets becoming collinear (see Fig. 5).
  • the angles a and ⁇ become close to 0 ° and the reactor according to the present invention becomes a plasma cyclone as shown in FIG.
  • a cyclone is advantageous for the treatment of biomasses and their transformation into intermediate fuel such as, for example, roasted wood, or into biogas, such as, for example, syngas.
  • the objects of the present invention are achieved by generating a non-isothermal plasma jet, at a pressure close to or greater than atmospheric pressure, according to a fragmented material treatment process. or elements sprayed into a reactor, for example of cylindrical or conical shape, made by a rotational reactive flow and a carrier gas flow loaded with the fragmented material or pulverized elements set in helical motion, coaxial with the reactor, characterized in that the rotational flow consists of one or more (j) jet (s), continuous, of non-thermal, quasi-stable reactive plasma, said at intermediate temperatures, (PIT), derived from PIT plasmatrons fed by alternating current and operating at pressure equal to or greater than atmospheric pressure, PIT plasma, set in turbulent motion, moving along a helical path (s) of diameter at an angle ⁇ relative to the plane perpendicular to the axis of symmetry of the reactor and that the flow of fragmented material is propelled by one or more (i) jets of support
  • Qp is the density (expressed in W / m2) of energy flux conferred on the fragments by the plasma, given by the formula
  • ⁇ is the depth of the treatment performed on the fragments of material (m);
  • ⁇ determines the temperature range in which the treatment (K) is carried out;
  • U and I are respectively the amplitude, average in time, of the voltage at the electrodes given by the plasma jet generator (s) (in V) and I is the amplitude, average in the time, of the corresponding intensity of the current which passes there (in A);
  • Tl is the average temperature of the heavy particles of the plasma (in practice 2000K);
  • Te is the plasma electron temperature (PIT) at intermediate temperatures (K);
  • ml is the average mass of the heavy plasma particles (kg);
  • E ( ⁇ kTI) is the amount of plasmochemical energy imparted to a fragment of matter or a pulverized element in a collision with a molecule I of the non-thermal plasma jet at intermediate temperatures, (J);
  • ⁇ is the cross section of the plasma particles with respect to the elastic collisions between them (in practice, ⁇ ⁇ 1CT 19 m 2 );
  • kp is an empirical coefficient (kp ⁇ 6.31 10-2ml0.5 J-0.3 s0.3);
  • ⁇ , p and c are respectively the coefficient of thermal conductivity, the density and the thermal capacity of the material
  • ⁇ is the duration of penetration of the thermal wave
  • ⁇ is the depth of penetration of the thermal wave.
  • Another solution is to organize the treatment so that the fragments are treated quickly ( ⁇ ) in the reactor and then conveyed to a crusher which breaks and separates the fragments of the treated surface crust and are then returned to the reactor.
  • the crusher is integrated with the reactor claimed in the present invention. In this way it is possible to substantially increase the rate of treatment.
  • the present invention makes it possible to select the products created in the claimed reactor.
  • the invention makes it possible to produce treated fragments of maximum size 10 fixed. This is possible by a choice of the diameter of the exhaust duct of the treated products.
  • the outlet duct (9) of the products created in the reactor is constructed in such a way that its inside diameter d is limited according to claim 3 as a function of the diameter D of the turns (8) monitored.
  • This choice is made according to the relationship
  • p g and Pc are respectively the densities of the gas phase and the solid phase of the flow entering the outlet duct;
  • D is the diameter of the inlet turn of the fragmented material flow (see Fig. 2)
  • the present invention claims a device characterized in that the outlet duct (9) of the products created in the reactor is constructed in such a way that its internal diameter d is limited as a function of the diameter D of the turns (8) followed by the carrier gas stream loaded with the fragments or pulverized elements (5), the angle ⁇ , the required size, 10, the particles to be produced in the reactor and the density pc and pg of the material of the fragments or elements treated pulverized and carrier gas, according to the formula
  • the power supply scheme of the plasma generator claimed in the present invention is illustrated in FIG. 1.
  • the power supply is carried out in packets of pulses of electrical current of amplitude I, and of amplitude voltage U.
  • ⁇ 2 This duration is chosen so that the amplitude of the electric current does not exceed a value of the intensity of the current I corresponding to a temperature, and therefore a given electrical conductivity of the plasma PIT.
  • the time interval ⁇ 3 between the pulses is at most equal to the relaxation time of the plasma as it is said above in the paragraph of the description of the present invention where the parameters of the electrical pulses are analyzed.
  • Fig. 1b illustrates, in fact, a particular case of conventional 50Hz AC power of the conventional PIT plasma power supply.
  • ⁇ 3 0.
  • This mode of generation used in particular in the invention (P.Koulik, A. Saychenko, METHOD AND DEVICE FOR THE GENERATION OF A NON-ISOTHERMIC PLASMA JET, Patent FR10 / 01928, PCT / FR 2011/000277 (WO 2011 / 138525 Al), priority date 05.05.2010) is applicable and very easy to achieve in practice with a current source consisting of a step-up transformer and a current limiting inductance system in the primary or secondary circuit (Fig.
  • FIG. 2 The device for implementing the process for treating fragmented material by reactive plasma flux at atmospheric pressure as defined in the present invention is illustrated in FIG. 2.
  • the central part of the reactor is the PIT plasma generator (1) ensuring the generation of a non-thermal plasma jet at an intermediate temperature which is the result of a high voltage electrical discharge at pulses as shown in FIG.
  • the present device is characterized in that it is generated by voltage and current pulses of controllable controllable amplitudes U and I, organized in high-frequency bipolar wave packets of sinusoidal form, sawtooth or crenellations. or others, whose duration and frequency are adjusted to maintain the discharge in a non-stationary state for which a plasma state out of thermodynamic equilibrium is realized.
  • This organization is carried out in the pulse generating device (10) fed, for example, by a three-phase alternating current coming from the network accessing a step-up transformer.
  • the presence in this device means of limiting the amplitude of the electric current (for example ballast inductors placed in the primary circuit (2), or secondary (2 ') of the transformer of the generator) of the repetition frequency of the packets.
  • pulses and the repetition period of these packets make it possible to adjust the levels of the temperatures Ti and T e .
  • Plasma molecules, radicals, atoms, ions
  • Plasma can thus be varied, for example, between 1000 and 6000 K, and the temperature of the electrons, from 10 000 to 20 000 K.
  • the temperature variations in these tuning forks thus make it possible to achieve a large spectrum of plasmochemical reactions in the reactor.
  • FIG. 2a illustrates the use of three-electrode generator (11).
  • One, two or more plasma generators of this type may be installed in the reactor wall.
  • Fig. 2b which is a section AA of the reactor as shown in Fig.2a illustrates the simultaneous use of two plasma generators.
  • the plasma generators 1 as well as the feed ducts (of) the carrier gas flows 4 loaded with the fragments to be treated are fixed on the reactor so as to create, respectively, angles a and ⁇ with the plane 6, perpendicular to the axis of the reactor according to the relations (4) (5) and (6) - (8) respectively, which allows to organize the flows of plasma 7 and fragmented material or pulverized elements 8 at least in two helical jets independent of one another but which, at a certain distance from the formation site, mix.
  • the diameter d of the outlet duct 9 is chosen so that the exit gas contains only solid particles smaller than a given dimension 10 according to equation 9:
  • the reactor can have the shape of a cone 12, as shown in Fig.2a, or a cylinder.
  • Residual gases which may contain solid particles larger than / 0 leave the reactor via a conduit 13.
  • the device illustrated in FIG. 2 operates as follows: at the time of priming the discharge in the plasmatron 1, powered by electrical pulses from a generator 10, pulses conditioned by devices for limiting the amplitude of the electric current, by example of the inductances 2, and devices 3 for forming pulses of bipolar electric current, a PIT plasma arc is stabilized by the electromagnetic forces and the drag of the flow of gas that bathes the electrodes 11 and enters the reactor at an angle relative to the plane 6 perpendicular to the axis of the reactor along a helical path of diameter D e .
  • the plasma jet PIT 7 thus created is located along the turns of the helix because the electrical conductivity of the plasma zone is at all times much greater than the electrical conductivity of the neighboring zones.
  • a jet of gas 8 loaded with fragments or pulverized elements of material to be treated 5 is then injected into the reactor along a helical path of diameter D which makes an angle ⁇ with the plane perpendicular to the axis of the reactor.
  • the respective velocities V s and U of the flows are different, which contributes to creating intense energy exchanges between the streams.
  • the angles a and ⁇ are chosen so that the plasma zone is entirely contained in the volume of the reactor and that the expected plasmochemical process occurs entirely during the displacement of the fragments or elements sprayed along their helical path inside the reactor. Conditions (5) - (8) take place.
  • Fig. 3 shows an alternative embodiment of the present invention according to which the reactor, of cylindrical geometry, is a hermetic enclosure intended for the production of combustible products without contact with any oxidizing atmosphere, in particular the ambient air.
  • the product to be treated is introduced via line (4) into the reactor in the form of a gas loaded with fragments of material or pulverized elements to be treated (5).
  • the carrier gas (5) is introduced at an angle ⁇ between the axis of the duct (4) and the plane perpendicular to the axis of the reactor along a helical path (7).
  • the plasma generated by the plasmatron (1) provided with the electrodes (11) is introduced at an angle ⁇ between the axis of the plasmatron (1) and the plane perpendicular to the axis of the reactor along a helical path (8).
  • Fig. 3 shows a variant of the reactor corresponding to the case where the two flows go against each other.
  • the plasmatron 1 and the conduit (4) are mounted on ball joints (26) which make it possible to vary, adjust, optimize and control the angles of attack of the plasma flux, a, and of the gas jet loaded with fragments to be treated, ⁇ . Under the effect of centrifugal and hydrodynamic forces, the fragments to be treated propagate along the walls of the reactor.
  • the peripheral wall of the reactor can be executed as a rotating drum, provided with a gear system (30) and rotated by a motor (29).
  • the drum is supported by sealed pads (28).
  • the plasmatron is supplied with gas by the fluid from the reactor cavity. Via ducts (19) and (20) and compressor (or fan) (18).
  • the treated particles meeting the conditions (9) are discharged through the conduit (9).
  • the particles (17) which do not meet the conditions (9) are discharged via a collector (12) and a receptacle (13) from which, via a conduit (23), they are directed towards the inlet device (27) for the charged gas flow of the fragments or sprayed elements to be treated in which, via the conduit (22) and the fragment metering device (21), is introduced the initial flow of gas charged with fragments or sprayed elements to be treated.
  • a conduit (16) is provided to withdraw a portion of the gas generated in the reactor and send it through the fan (15) to the swirling flow reactor (25), thereby enhancing the cyclone movement of the reactor.
  • gas charged with fragments of material or pulverized elements to be treated In Fig. 3, only one plasmatron is shown. In reality, an unlimited number of plasmatrons can be used, so as to create a uniform reactive medium of high volume and high powers and productivities.
  • Fig. 4 illustrates another embodiment of the implementation of the present invention in the case where the material to be treated is in the form of highly agglomerated fragments or large sizes.
  • the product coming from the inlet duct 4 is introduced into the reactor through a hopper 40 and passes into the reactor via a mechanism, for example, an auger driven by a motor and a gear system.
  • the fragments thus introduced, provided with a rotational movement 8 are distributed in a peripheral zone 36 of the reactor.
  • the plasma is generated by the plasmatron 1 provided with the electrodes 11. It enters the reaction zone 35, driven by a peripheral gas entering through the conduit 33 which undergoes a rotational pulse due to the presence of a gate 32 (nest of 'bees) arranged in its path.
  • the peripheral gas for example air 38
  • valve 39 When the reactor is operating normally, the valve 39 is closed and the reactor is supplied with the gas produced in the reactor by a gas recovery system comprising a conduit 43, a flow control valve 39 ', a refrigerant 42, a compressor 41. As shown in FIG. 4, part of this gas is introduced directly into the reactor via line 54.
  • the product gas is discharged through line 23.
  • the remains of fragments 27 are returned via line 9 to the inlet of the reactor.
  • the baffle 37 prevents leftover untreated fragments from accumulating in the reactor and forming obstructions.
  • the reactor is fixed by a support 34.
  • the angle ⁇ varies between 20 ° and 60 ° while the angle ⁇ is substantially equal to 90 ° given the method of mechanical propulsion of the material fragments to be treated.
  • the fragments to be treated or the pulverized elements 5 have very small dimensions, so that the angles a and ⁇ are substantially equal to 90 °.
  • This is the case of boiler burners or combustion chamber for turbines or biomass processing reactor, for example, where the flow of material to be treated is represented by a flow of air laden with coal dust, lignite, dried and ground peat, or charcoal dusts, or roasted wood dust, or simply combustible gas, etc.
  • the reactor proposed in the present invention for this case is a PIT plasma burner which experience has shown to be advantageous in comparison to oil or gas burners or natural gas burners.
  • the proposed burner is fixed in the wall of the boiler (of the combustion chamber, of the reactor) by the support 34. It essentially consists of a plasmatron PIT 1 provided with electrodes 11, such as described for the applications of Fig.2, Fig.3 and Fig.4.
  • the fragments 5 are brought by a stream of gas 4 into a cylindrical duct coaxial with plasmatron 1 supplied with a stream, for example from air 46.
  • an intermediate conduit fed by a stream, for example air 43 which passes through, for example, a honeycomb 32 designed to form the profile of the gas velocities between the flow feeding the plasmatron and the gas flow carrying the dust of fuel in the area ⁇ (36) - (55).
  • This intermediate flow avoids a turbulent mixture (brutal) of the stream 4 and the plasma jet which would cause a release of combustion heat too intense and too concentrated given the catalytic properties of the plasma jet PIT.
  • the gate 32 profiles the speeds of the intermediate flow so that the mixing takes place gradually and the combustion heat released is distributed in a large volume of the boiler.
  • the structure of the plasma jet consists of an initial zone 35 and a mixing zone with the intermediate stream (35) - (36).
  • the velocity profiles of the coaxial gas flows are transformed in the zone (36) - (55).
  • the dust comes into contact with the active particles of the plasma only in the intermediate flow zone (55) - (45).
  • the front of combustion of dust in the air develops only in the extended zone (45) - (44) where the fuel particles gradually disappear, transformed into C0 2 and H 2 0.
  • the solution shown in Fig. 5a differs from the existing solutions in that the plasma develops in a large space, that the plasma is in a highly excited state (PIT), which allows an efficient combustion, for example in a large boiler volume, that the thermal losses are very low and that the burner efficiency is close to 85 - 90%.
  • PIT highly excited state
  • This implementation of the present invention may be used in the case where the support 34 fixes the plasmatron 1 to the wall of a high-pressure container.
  • the electrodes 11 of the PIT plasmatron are provided with adjustable lugs 54 which make it possible to vary the short-circuit distance 55 as a function of the level of the pressure in the container.
  • Fig. 6. illustrates another extreme case of the application of the present invention.
  • the fragments treated in this case are large. This corresponds to the situation as proposed in the present invention where the angles a and ⁇ are both close to 0 °.
  • the peripheral portion of the reactor cavity 47 is in the form of a torus.
  • the fragments 5 are introduced tangentially into this cavity, for example mechanically, by means of the conduit 48 provided with a worm screw 49.
  • the flow of material to be treated moves in the reactor cavity in a substantially circular trajectory 51.
  • the plasmatrons of the type PIT 1 with its (their) electrodes 11, as described in FIGS. 2, FIG. 3 and FIG. 4, is (are) fixed in the body of the reactor so that the axis of the generated plasma jet (s) 7 is tangential to the axis torus.
  • a carrier gas stream 8 from the duct 4 and a stream 53 of catalyst gas (for example water vapor 52) are also injected tangentially.
  • the four jets meet and mix in the toroidal cavity.
  • the gases and the solid particles 13, produced according to the conditions 9 of the present invention, are discharged through the outlet duct 9.
  • a device of this type executed in hermetic mode with a closed cycle of the gases produced, can be used, for example, for the production of roasted wood dusts which, subsequently, can be compressed into roasted granules, ready to be transported on the place their use, for example 'of their combustion in a boiler or in a gas turbine combustion chamber.
  • This device can operate at atmospheric pressure and at high pressure ( ⁇ 100 bar).
  • Fig. 5b illustrates the case of the use of 3 electrodes. But the proposed solution is valid for a plasmatron PIT containing 2 or 6 electrodes.
  • Air-based non-thermal plasma reactor applicable as power plant boiler burner see diagram Fig.l
  • Stabilization device honeycomb distributor.
  • the implementation of the present invention makes it possible to obtain non-isothermal plasma jet lengths and volumes in the sense of formulas (1) - (3) of the present invention of the order of several meters, which makes it possible to move the plasma along turns which advantageously mix with the flow of carrier gas laden with fragmented or pulverized material to be treated.
  • angles of entry of the plasma jet and the charged gas stream loaded with the material fragments to be treated make it possible to achieve the objects of the invention.
  • the present invention makes it possible to produce powders of desired particle size. by observing the established recommendations.
  • the plasmatron PIT designed in the present intention and powered as the present invention recommends it, has proved effective in the various modes realized in practice of implementation of the present invention, in particular as a plasma-assisted burner, advantageously usable for power plant boilers.
  • the claimed method and device for carrying it out, as used in the present examples serve to achieve the objects of the present invention.
  • the examples provided have demonstrated that they can be exploited in various embodiments, including, without being limiting, to produce fuel powders such as roasted wood powders and combustible gases such as syngas.

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Abstract

Procédé et dispositif réalisés dans un réacteur pour le traitement par plasma de matière fragmentée portée ou d'éléments pulvérisés par un gaz de support où l'élément principal est un générateur de plasma à températures intermédiaires (PIT) alimenté par une source d'impulsions électriques dont l'amplitude du courant est limitée et la fréquence de génération, la durée des impulsions et la durée des laps de temps entre les impulsions sont déterminés de manière à générer un plasma non thermique (PIT) de grande étendue, le plasma et le flux de gaz porteur (4) chargé des fragments de matière ou d'éléments pulvérisés à traiter(5) se déplaçant le long de trajectoires hélicoïdales coaxiales à l'axe du réacteur sous des angles contrôlés a et β respectivement par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du réacteur, les angles a et β pouvant varier de manière donnée suivant les propriétés de la matière à traiter et les paramètres technologiques et les dimensions du réacteur. Utilisation de l'invention autant pour la combustion de poussières de combustibles dans les chaudières de centrales électriques que pour la génération de produits combustibles solides ou gazeux, de propriétés et de dimensions données, engendrée par l'organisation de réactions plasmochimiques sur des fragments ou des éléments pulvérisés de matières organiques dans le réacteur.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT DE MATIERE FRAGMENTEE OU PULVERISEE BIPHASEE PAR FLUX DE PLASMA REACTIF NON ISOTHERMIQUE.
La présente invention consiste en un .procédé de traitement de matière fragmentée ou pulvérisée, biphasée, c'est à dire composée d'un courant de fluide (avantageusement de gaz) portant des fragments en phase solide ou liquide, par un flux de plasma non isothermique réactif à pression voisine ou supérieure à la pression atmosphérique, et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Beaucoup d'efforts ont été faits dans la deuxième moitié du XXeme siècle pour créer des réacteurs permettant de traiter des courants de fluides portant des fragments en phase solide. Les réacteurs les plus efficaces sont probablement les réacteurs hydrodynamiques basés sur le principe du cyclone permettant d'obtenir des échanges thermiques de haute intensité en régime turbulent dans des volumes de petite dimension. L'application sans doute la plus performante est celle dite du Torbed©Reactor développé par Torftech L.t.d. (Newbury, K) en 1998 (voir www.torftech.com ). Ce procédé est notamment utilisé pour la torréfaction des déchets de bois en vue de la fabrication de combustibles effectifs transportables.
En principe, le seul moyen d'intensifier ce procédé est d'utiliser un flux réactif sous forme de plasma. Pour cette raison, les réacteurs à plasma ont attiré l'attention, notamment en rapport avec les technologies de transformation de la matière par la plasmochimie, et, en particulier, avec la combustion des matières organiques, le recyclage de la biomasse, la destruction et la transformation de produits, de déchets, la génération de produits chimiques.
Les procédés et dispositifs à plasma les plus connus et les plus utilisés en pratique, notamment dans l'Industrie et en particulier pour la combustion assistée par plasma et la destruction ou transformation des biomasses, des déchets domestiques, médicaux, industriels et autres, exploitent les réactions dans des plasmas isothermiques à courant continu, alternatif, haute fréquence, micro-ondes.
Par « isothermique » on entend les plasmas dont les températures des différents composants, notamment des particules lourdes (molécules, atomes, radicaux, ions) T|, et des électrons, Te, sont pratiquement égales. Par définition, un plasma est isothermique quand, en tout point de son volume, se réalise la condition :
Te = T|
C'est d'habitude le cas des plasmas mentionnés ci-dessus. Cela signifie que les réactions chimiques qui s'y passent sont des relations d'équilibre thermodynamique local, décrits, par exemple, par la loi bien connue d'Arrhenius. La concentration des composants du plasma isothermique est décrite par l'équation, également bien connue, de Saha.
L'état de l'art, a amené les utilisateurs des technologies de plasmas qu'ils jugent à raison plus efficaces que les méthodes traditionnelles de transformation de la matière, à concevoir des réacteurs utilisant des plasmas isothermiques (c'a d. en état d'équilibre thermodynamique), principalement à pression atmosphérique, tels que les générateurs d'arcs à courant continu, alternatif, radiofréquence ou micro-ondes. La température des plasmas réalisés et utilisés est de l'ordre de 6 000 - 15 000 K suivant les conditions de génération. Il est clair que de tels plasmas sont efficaces pour détruire (décomposer) les molécules organiques. Ils sont aussi efficaces pour détruire les molécules non-organiques. Accompagnées d'un procédé de trempe du plasma (refroidissement rapide qui empêche la recombinaison de beaucoup d'états moléculaires nuisibles, notamment les dioxines et les furanes), ces technologies se sont avérées avantageuses par rapport aux technologies traditionnelles thermochimiques (voir par exemple, Khacef (A.), Cormier (J.-M.), Pouvesle (J.- M.), J. Phys. D : Appl.PHYS. 35, p. 1491-1498, 2002. ZhukovM.F. Izv.S.O.AN USSR, Ser. Techn.Nauk, 1970, V2 (58) P 12 - 18 ; Burov I.S., Ermolaeva E.M., Mosse A.L., Minsk ITMO 1975, p.71 - 78 ; voir aussi www.europlasma.com).
Des réacteurs de différentes géométries et formes utilisant un ou des plasmas thermiques en cyclones générés par sources de courant à hautes fréquences ou à microondes ont été proposés dans les inventions appartenant à FORET PLASMA LABS, LLC, The Woodlands, Texas (US) (voir par exemple le brevet US 7.622.693 B2, date de priorité : 24 novembre 2009 voir aussi).
Beaucoup d'efforts de la société Yantai Longyan Power Technology Co Ltd ont été consacrés à la création de brûleurs à plasma isothermique (en équilibre thermodynamique) pour réaliser la combustion de poussière de charbon dans les chaudières des centrales électriques (voir, par exemple la demande de brevets N° 201 200 25 63 avec date de priorité du 02.02.2012)
Le niveau de températures élevé caractérisant les plasmas isothermiques (6 000 - 12 000 K) est cependant superflu. Il est inévitable si on utilise un plasma isothermique, notamment à pression atmosphérique, car le niveau de température (T = T| = Te) détermine la concentration des électrons nécessaires à la conductivité électrique du plasma, cette dernière assurant le bilan énergétique de l'arc électrique et du jet de plasma en résultant. Ce niveau de température est cependant excessif pour la réalisation des réactions plasmochimiques qui ne nécessitent que des températures dans les plages de 1000 K à 3000 K. Le niveau de températures (6 000 - 12 000 K) amène à des dépenses énergétiques énormes et des constructions complexes qui rendent douteuses les raisons mêmes de l'utilisation des réacteurs de plasma isothermique.
En outre, de manière évidente, les dimensions des espaces dans lesquels le plasma thermique peut être confiné, vu sa haute température, sont petites, par principe, même dans le cas de l'invention « FORET PLASMA LABS » mentionnée plus haut. Cela réduit très fort la surface de contact d'un tel plasma avec les milieux à traiter, ce qui rend les réactions peu efficaces et réduit leur rendement énergétique.
La solution qui s'impose est d'utiliser un plasma non-isothermique. En effet, si l'amplitude du champ électrique qui génère et accélère les électrons du plasma et y provoque les réactions d'excitation et d'ionisation est assez élevée, le plasma devient non-isothermique, c'a d. que :
Te > T| (1) Pour que la relation (1) ait lieu, l'amplitude du champ électrique E, selon Fridman (Plasma Chemistry Cambridge University Press 2008) E doit obéir à une condition du type (cas d'un plasma faiblement ionisé) :
E > k.T|.ne.Q/e (2)
où
e est la charge de l'électron (e = 1,6 10 19 C) ;
k est la constante de Boltzmann (k = 1,4 10 19J/K) ;
T| est la température des composants lourds (molécules, radicaux, atomes, ions) du plasma (K) ;
Q. est la section efficace des collisions élastiques entre les électrons et les composants neutres du plasma (m2) ;
ne est la concentration des électrons libres (m 3)
Si, par exemple, T, ~2000K, ne~10+19 m"3, Q~ 10"18 m2,
on a E> 10 4V/m.
Dans ce cas la température des électrons peut être déterminée par la relation ( voir, par exemple, H.Hingana. « Contribution à l'étude des propriétés des plasmas à deux températures ». Thèse de doctorat. Univ. Paul Sabatier, Toulouse, Décembre 2010)
Te ~ [ e me/ ne2m, k].[E/j] (3)
où
me est la masse des électrons (9,1 10"31 kg)
mi est la masse (moyenne) des composants lourds neutres du plasma
j est la densité de courant (A /m2)
L'utilisation pratique d'un plasma en état non-isothermique dans un réacteur à plasma est technologiquement avantageuse. En effet, les électrons qui, dans ce cas, ont une grande énergie cinétique, favorisent la formation d'états moléculaires excités et de radicaux, extrêmement efficaces pour la destruction des molécules organiques ou la transformation des molécules en composantes réutilisables.
Dans un plasma non-isothermique, le niveau de température des composants lourds (Ti) peut être de l'ordre de 1000 - 3000K, ce qui est suffisant pour réaliser les réactions chimiques visées sans formation de composants chimiques nocifs, tandis que la température des électrons est généralement de l'ordre de 6 000 - 15 000 K, ce qui assure un courant électrique suffisant pour soutenir le mécanisme de décharge électrique et le bilan énergétique du jet de plasma.
Des générateurs de plasma non-isothermique (voir formules (1) et (2)) ont été proposés, protégés par des brevets, et exploités au niveau industriel (voir, par exemple, Engelsht V. S.,Saichenko A.N., Okopnik G. M., Musin N.U. XI Vsesoyuznaya Konf. Po generatoram nizkotemperaturnoy plazmi, Novosibirsk, 1989; P 255; Desiatkov G. A., Enguelsht V.S., Saichenko A.N., Musin N.U., et al. lasma Jets in the Development of New Materials Technology. Proc. Of the International Workshop 3-9 September, Frunze, USSR Ed. O.P.Solonenko, A.I.Fedorchenko. VSP, Utrecht, (NL), Tokyo (Japan), pp 499 - 509 ; voir aussi www.glidarc.com). Ils sont basés sur l'utilisation du principe de l'arc à haute tension glissant entre deux électrodes de géométrie divergente. Initié par une décharge à l'endroit où les électrodes sont le plus rapprochées l'une de l'autre, l'arc est propulsé le long de ces électrodes grâce à la force électromagnétique créée par le champ magnétique dû au courant qui parcourt l'électrode et le courant qui parcourt l'arc dans une direction pratiquement perpendiculaire à l'axe des électrodes. Le mouvement de l'arc peut être, en plus, sollicité par la pression dynamique d'un courant longitudinal de gaz propulsant qui concourt à former le jet de plasma en aval des électrodes. Au fur et à mesure du glissement de l'arc, sa longueur et sa résistance électrique augmentent et l'intensité du courant diminue. Il arrive un moment où le courant devient trop faible pour soutenir le bilan énergétique de la décharge et l'arc disparaît. Une nouvelle décharge est alors de nouveau initiée à la base des électrodes et le processus se répète. On a donc un mouvement perpétuel de « va et vient » de l'arc le long des électrodes. Dans son mouvement, l'arc crée autour de lui un « nuage de plasma » dont les propriétés et notamment le temps de vie, dépendent de la nature du gaz dans lequel a lieu la décharge, de la présence d'un flux hydrodynamique de gaz, du niveau de l'amplitude de la tension entre les électrodes, de la fréquence du courant généré entre les électrodes, et de la géométrie de divergence des électrodes. Ce nuage de plasma peut assurer l'existence d'une zone conductrice d'électricité en l'absence de courant électrique pendant sa durée de vie. Il est donc possible d'alimenter l'arc non seulement avec du courant continu mais aussi avec du courant alternatif, par exemple de fréquence 50Hz, pourvu que la durée de vie du nuage de plasma soit supérieure à la pause qui sépare les méandres de tension entre les électrodes.
Des arcs glissants ont été créés à l'aide de générateurs à courant continu, à courant alternatif monophasé et triphasé à une fréquence de 50Hz. Dans ce dernier cas, des solutions à trois électrodes et à six électrodes ont été proposées et réalisées industriellement. L'utilisation de trois et six électrodes (voir Engelsht V. S., Gurovich V. Ts., Desyatkov G. A., Musin N. U., Saitchenko A. N. Expérimental investigation and application of the high-voltage low-current arc in gas flow. 20th ICPIG.-Barga,1991 -P.978-979) est proposée dans le but d'uniformiser le plus possible la zone de plasma générée dans le réacteur, vu que ce plasma est hors d'équilibre thermodynamique et donc contient de grandes concentrations de molécules et de radicaux à l'état métastable. C'est l'énergie potentielle de ces particules (effets non thermiques), et non seulement leur énergie cinétique (effets thermiques), qui permettent de réaliser les réactions plasmochimiques visées.
Une étude théorique approfondie des plasmas non-thermiques à deux températures appliquée aux arcs glissants, notamment à pression atmosphérique, est effectuée dans les travaux de A.A.Fridman( voir par ex. Plasma Chemistry Cambridge University Press 2008 pp 205).
Les procédés et dispositifs mentionnés, notamment dans les publications de A.Fridman, présentent cependant des désavantages (Instabilité, non-uniformité spatiale, dimensions limitées) qui les rendent difficilement applicables dans la pratique et inutilisables dans des réacteurs à flux fragmentés qui nécessitent pour traiter une partie déterminée des fragments ou la totalité de leur volume, une durée prolongée de contact avec le milieu de plasma actif. Qui dit durée prolongée, dit surface de contact extrêmement développée et donc, avant tout, grandes dimensions des jets de plasma utilisés dans le réacteur et configuration géométrique apte à développer les réactions voulues. Les auteurs Desyatkov et al. ont proposé une configuration du réacteur qui fixe la position de l'arc dans l'espace dès que celui-ci a atteint les extrémités des électrodes. Les lignes de courant se courbent alors, soumises, d'une part, à la force de traînée du flux de gaz propulsant et à la force électromagnétique et, d'autre part, à la résistance hydrodynamique de l'arc qui tend à conserver sa position dans la zone la plus ionisée de l'espace.
Cependant, le plasma utilisé reste instable. Cette instabilité est principalement due au caractère turbulent du flux de gaz propulsant. Les dimensions du jet de plasma sont réduites et ne permettent pas de traiter des flux fragmentés tels que définis plus haut.
L'invention ( P.Koulik, A. Saychenko, PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'UN JET DE PLASMA NON- ISOTHERMIQUE, brevet FR10/01928, PCT / FR 2011/ 000277 (WO 2011/138525 Al), date de priorité 05.05.2010) permet en partie de résoudre le problème et d'augmenter le volume du plasma généré et sa surface de contact avec le milieu traité. Cependant la solution proposée de « laminarisation » du procédé de génération du jet de plasma n'est pas suffisante.
Dans le contexte de ce qui précède, un but de la présente invention est d'élaborer un réacteur de plasma à surface de contact plus étendue que dans les réacteurs existants. Ce but ne peut être atteint qu'en générant et exploitant un (ou des) jets de plasma non- isothermique stable, à une pression voisine ou supérieure à la pression atmosphérique, les pressions supérieures à la pression atmosphérique étant utiles, voire indispensables pour intervenir dans des milieux denses, tels par exemple, les réacteurs plasmochimiques, notamment de transformation de la biomasse, les chambres de combustion des turbines à gaz, etc.
Il est avantageux d'exploiter un tel réacteur pour la réalisation industrielle de réactions plasmochimiques entre des fragments solides ou les particules résultant de pulvérisation, portés par un écoulement fluide et une zone étendue active de plasma dans l'espace d'un réacteur plasmochimique de dimensions restreintes.
Il est également avantageux d'exploiter un procédé de génération permettant de créer dans le réacteur une zone étendue de plasma non-isothermique, quasi-stable dans le temps, pendant toute la durée du traitement plasmochimique visé. Le terme quasi-stable veut dire que les paramètres moyens du plasma sont pratiquement constants dans le temps sur des périodes supérieures à la période de génération du courant électrique, mais substantiellement variables sur des périodes de temps inférieures à la période de génération du courant électrique alimentant le plasma. Cela signifie que dans ce plasma non isothermique, la température des particules lourdes (molécules, radicaux, atomes, ions) est relativement basse (par exemple 1000K - 3000 K), tandis que la température des électrons est substantiellement plus haute (par exemple 10 000 K - 15 000 K). Ce plasma est surtout avantageux dans la pratique pour des pressions voisines ou supérieures à la pression atmosphérique. Il est clair que plus la pression voulue de ce plasma est haute, plus problématique est la génération d'un tel plasma. En pratique, il est possible de créer de tels plasma à des pressions allant jusqu'à 100 bars avec des tensions à circuit ouvert, par exemple, de 10 - 30 kV Un tel plasma peut être appelé « Plasma à températures intermédiaires » ou PIT (Plasma at Intermediary Températures). Cette appellation est utilisée, notamment, par A. Fridrhan (voir par ex. Plasma Chemistry Cambridge University Press 2008)
Nous adoptons cette appellation PIT, telle que définie plus haut, dans la présente invention.
Il est aussi avantageux d'utiliser un réacteur exploitant un ou des jets de plasma de forme allongée et dont le rapport de la longueur au diamètre est substantiellement supérieur à l'unité et qui peut être conformé en spires.
Il est d'autant plus avantageux d'utiliser à cet effet un réacteur exploitant un ou des jets de plasma non-isothermique générés de manière à en augmenter la longueur tout en limitant les échanges énergétiques avec le milieu gazeux environnant constitué de fluide et de fragments. En particulier, il est avantageux de forcer le jet de plasma à se propager le long de spires coaxiales au réacteur.
Il est avantageux, tout en exploitant les propriétés de laminarité du plasma au moment et à l'endroit de sa génération, par exemple à l'aide d'un générateur PIT tel que revendiqué dans l'invention (P.Koulik, A. Saychenko, PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'UN JET DE PLASMA NON- ISOTHERMIQUE, brevet FR10/01928, PCT / FR 2011/ 000277 (WO 2011/138525 Al), date de priorité 05.05.2010) de provoquer des turbulences dans le jet de plasma de manière à intensifier les échanges thermiques et énergétiques entre les particules du plasma et celles du milieu réactif dans lequel le plasma se propage.
Pour optimiser les paramètres du jet de plasma (températures de particules lourdes, température des électrons, dimensions du jet de plasma, débit du produit de formation du plasma, degré de turbulence), et, en particulier, le développer sous forme de spires dans le réacteur, il est avantageux d'utiliser une source de courant d'alimentation à impulsions bipolaires générées à hautes fréquences (par exemple entre 1 kHz et 100 Mhz) avec des durées d'impulsions, par exemple, entre 1 et 1000 ms, des pauses entre les impulsions entre 1 et 1000 ms, une amplitude de tension de circuit ouvert, par exemple, entre 0,1 et 30 kV et une amplitude de courant électrique, par exemple, entre 0,1 et 30 A.
Un grand avantage présente toute technologie capable d'assurer un traitement contrôlé variable en fonction de la composition du gaz d'apport, de la matière des fragments ou des particules résultant de la pulvérisation, de la forme, de la nature, et de la composition du produit traité, ainsi que des dimensions des fragments ou des particules pulvérisées.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortent des dessins, schémas et illustrations annexés à la présente invention, dans lesquels :
• La Fig. 1 montre le schéma de réalisation de l'alimentation électrique du plasmatron telle que revendiquée dans la présente invention, avec les inductances permettant de limiter le courant électrique dans le plasma disposées soit dans le primaire soit dans le secondaire du transformateur de génération du plasma.
• La Fig.2 illustre le schéma de réalisation d'un réacteur de forme conique utilisant un jet de flux fragmenté sous un angle β par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du réacteur et un flux de plasma non-isothermique sous un angle a par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du réacteur, plasma créé par un générateur d'arcs à haute tension entre trois électrodes en régime de courant alternatif constitué par des impulsions bipolaires à courant limité et à fréquence variable contrôlée.
La Fig.2a est une section longitudinale du réacteur utilisant un seul générateur de jet de plasma
La Fig.2b : section radiale du réacteur avec utilisation de deux générateurs de jet de plasma non isothermique.
La Fig.3 illustre la réalisation d'un réacteur hermétique de forme cylindrique permettant de mettre en œuvre la présente invention dans le cas où les flux de plasma et de flux de produits fragmenté ou pulvérisés sont dirigés l'un vers l'autre et sont utilisés pour la production de gaz combustible (hydrogène, syngaz).
La Fig.4 illustre la réalisation d'un réacteur de forme cylindrique, hermétique, par exemple, pour la fabrication de biogaz, dans le cas où la matière à traiter est fragmentée et propulsée dans le réacteur par une vis sans fin et le surplus de fragments de matière non traités est renvoyé vers l'entrée du réacteur.
La Fig. 5a montre le schéma d'un réacteur coaxial dans le cas particulier extrême où a = β = 90° qui illustre, par exemple, l'application de la présente invention à un brûleur de chaudière assisté par plasma PIT.
La Fig. 5b montre le réacteur coaxial de la Fig. 5a en élévation.
La Fig. 6 montre le schéma d'un réacteur dans le cas particulier extrême où ~ β ~ 0° qui illustre, par exemple, l'application de transformation de biomasse en produit combustible.
Le principe du procédé proposé réside en ce qui suit :
Il est proposé d'utiliser comme base un procédé de génération d'un jet de plasma non isothermique à l'aide d'une décharge électrique à haute tension en courant alternatif biphasé dans un flux de gaz, décharge initiée par un plasma de claquage, propulsée par une force électromagnétique et par la force de tramée exercée sur la décharge électrique par un flux de gaz et localisée aux extrémités d'électrodes. Ce procédé est semblable au procédé décrit dans l'invention (P.Kouiik, A. Saychenko, PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'UN JET DE PLASMA NON- ISOTHERMIQUE, brevet FR10/01928). La configuration proposée dans cette invention, cependant ne permet pas d'assurer le contact nécessaire entre le jet de plasma et pour que la réaction voulue entre les deux soit réalisable et optimale.
Optimiser le procédé en augmentant la température et la vitesse du flux réactif est peu utile car, à partir d'une certaine intensité de flux de chaleur, le matériaux résiste au traitement suite à l'ablation, phénomène hydrodynamique bien connu, par exemple, dans la technique de protection thermique des vaisseaux spatiaux lors de leur entrée dans les couches denses de l'atmosphère de la Terre.
Il est donc impératif de trouver un moyen d'augmenter l'étendue de la surface de contact du flux de plasma avec le matériau traité. Cela ne peut se réaliser qu'en optimisant le procédé de génération du plasma dans le volume le plus grand possible tout en concentrant la zone de formation du plasma dans le volume le plus petit possible.
Le plasma dans un tel jet est en état non-thermique (PIT) tel que défini par les formules (1) - (3), ce qui donne des avantages de principe à la présente invention.
L'invention présente permet l'exploitation de ces avantages basée sur l'optimisation de l'utilisation des états excités des particules du plasma et de celles du milieu en contact avec le plasma.
Le plasma est généré par le passage du courant électrique (non stationnaire) dans le flux de gaz qui baigne les électrodes entre lesquelles est établie une forte différence de potentiel (par exemple, ~10 - 100 kV). Dès que l'intensité du courant grandit, le champ électrique s'affaiblit, vu que la température, et donc la conductivité électrique, commencent à croître. Cette étape correspond à la formation dans le plasma naissant d'un grand nombre de molécules et de radicaux excités par les électrons, accélérés dans le champ électrique. Si on maintient la tension, le courant électrique va rapidement croître, le plasma va s'échauffer et atteindre l'état thermique. L'idée de l'invention, pour générer le jet de plasma nécessaire à la réalisation du réacteur revendiqué, consiste :
1) à laisser croître le courant de manière à accumuler une densité d'énergie suffisante pour que les réactions plasmochimiques aient lieu comme voulu (dans cette séquence, la température des électrons Te est telle que déterminée par la relation (3);
2) à rompre le courant avant que le plasma ne s'échauffe et n'atteigne l'état thermique. En pratique, cela correspond à des valeurs de limitation du courant de rupture entre 3 et 30 A ;
3) cette rupture dure pendant un laps de temps inférieur au temps de relaxation τ.
Le plasma continue d'exister pendant cette période. Les particules excitées et les radicaux créés restent actifs et perdent leur énergie d'activation dans leurs interactions avec le matériau à traiter. Par contre, dès que le courant électrique est rompu, la température du plasma et sa conductivité électrique diminuent. 4) Pour conserver cet état métastable, il faut répéter le processus décrit aux points 1) - 3), c'a d. envoyer une nouvelle impulsion de courant électrique avant que le milieu soit redevenu non-conducteur d'électricité.
Cela revient à alimenter la décharge électrique entre les électrodes par des impulsions de courant. Les paramètres de ces impulsions sont :
• les amplitudes / et U du courant et de la tension, respectivement ;
• la fréquence de génération i = 1/ti (cette génération peut avantageusement être réalisée sous forme d'ondes sinusoïdales bipolaires à haute fréquence) ;
• la durée d'une impulsion τ2 = ψ/U.I. où ψ est la quantité d'énergie contenue dans le jet de plasma (typiquement, ψ ~103 J)
• la fréquence des impulsions v3= 1/τ3 où τ3< τ = kT| /POj
où
σ, est la section efficace moyenne des interactions inélastiques des électrons avec les particules du plasma (σ, ~ 10 " 20 m2 , (voir, par exemple B. Smirnov « Plasma Processes and Plasma kinetics » Wiley - VCH Verlag GmbH 2Co KGaA 2007) ) ;
P est la pression (P~105 Pa) ;
k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 10"23 J/K)
T| est la température des particules lourdes du plasma (typiquement T ~2 103 K).
De manière générale, le procédé revendiqué dans la présente invention est caractérisé en ce que les jets de plasma non-thermique PIT à températures intermédiaires, entraînés dans leur mouvement hélicoïdal, sont alimentés par une tension et un courant alternatifs bipolaires en impulsions, chaque impulsion étant constituée d'un paquet d'ondes d'amplitudes respectives U, par exemple entre 0,1 et 100 kV, et I, par exemple entre 0,1 et 30 A, générées à une fréquence v1; par exemple entre 50Hz et 100 MHz, les grandeurs U, I, et Vi étant suffisantes pour amorcer le plasma par étincelle de court-circuitage, et dont la durée τ2, par exemple entre 1 et 1000 ms, est suffisante pour atteindre une température Tï donnée dans les marges 1000 < "Π < 6000 K et inférieure à la température du plasma stationnaire isothermique (en équilibre thermodynamique) généré à la fréquence v les impulsions se répétant à des laps de temps τ3, par exemple entre 1 et 1000 ms, inférieurs au temps de relaxation du plasma, celui-ci étant égal à la durée maximale de recombinaison des électrons avec les ions générés dans le plasma, les temps caractéristiques de la génération des impulsions étant soumis aux relations : tï (= 1/vi), cette génération pouvant avantageusement être réalisée sous forme d'ondes bipolaires à basse ou haute fréquence, sinusoïdales, en créneaux, en dents de scie, etc. ; τ2= ψ/υ.Ι. où ψ = npi(kT|)Wpi est la quantité d'énergie contenue dans le jet de plasma de volume Wpi et de densité moléculaire npl (typiquement, à pression atmosphérique, ψ ~ 103.) τ3≤τ ~ (Ι<Τ|)-1'5 (ηι,)0 ' 5 Ρ σρ ,
où
σρ est la section efficace moyenne de recombinaison des électrons avec les ions du plasma (σρ ~ 10 " 20 m2) (voir, par exemple, B. Smirnov, « Plasma Processes and Plasma kinetics » Wiley - VCH Verlag GmbH 2Co KGaA 2007) ;
P est la pression (P > 105 Pa),
k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 10~23 J/K)
Ti est la température des particules lourdes du plasma (T~2 103 K),
ce mode d'alimentation étant, en particulier, réalisable quand i = 50 Hz, ti = τ2 = τ3 = 0,02 s.
La Fig. 1 illustre le caractère des impulsions d'alimentation de la décharge.
L'expérience a montré que, par exemple pour l'air, les paramètres optima de génération des impulsions sont de l'ordre de :
i -rrl0" 7 s (vr l3 MHz)
r2 ~3.10"2 s '
3 T ~ 2.10"2 S
On voit que les fréquences du réseau (τ2 ~τ3~ 10"2 s) utilisées dans l'invention (P.Koulik, A. Saychenko, PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'UN JET DE PLASMA NON- ISOTHERMIQUE, brevet FR10/01928), bien que déjà satisfaisantes, peuvent être optimisées compte tenu des conditions de la présente invention: la longueur du jet de plasma obtenue en appliquant l'invention mentionnée est de ~ 1,5 m pour une puissance de génération de ~ 100 kW alors que la longueur du jet de plasma, réalisable I en application de la présente invention, peut atteindre 3m et plus. Le diamètre de la zone de plasma formée peut atteindre 0,2 - 0,3 m.
L'idée d'alimenter le générateur de plasma au moyen d'impulsions telles que décrites dans la présente invention permet d'obtenir une étendue importante de la zone de
. plasma (telles que mentionnées plus haut), suffisante pour qu'il soit réalisable d'imposer au flux de plasma, d'une part, et au flux de gaz qui supporte les fragments de matière à traiter ou les éléments pulvérisés, d'autre part, des trajectoires hélicoïdales coaxiales sous des angles a et β respectivement, par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du réacteur cylindrique ou conique, ce qui permet d'effectuer de manière efficace des
) réactions plasmochimiques nouvelles et de haute intensité (vu l'utilisation d'un plasma non thermique à très haute densité d'énergie) et, dans le même temps, de rendre le réacteur plus compact et donc d'améliorer sensiblement son rendement énergétique, notamment en réduisant les pertes de chaleur.
Les angles mentionnés doivent être choisis conformément aux relations suivantes.
L'angle a doit satisfaire à la relation :
a = arcsin(Y /A) (4) ou
0,2. , 0,3
e vs (5)
Dans ces formules (voir Fig. 2)
Y est la longueur du réacteur (m) ;
Λ est la longueur du jet de plasma issu du plasmatron le long de la trajectoire hélicoïdale (m) :
j est le nombre de plasmatrons fonctionnant en parallèle ;
U est l'amplitude de la tension appliquée entre les électrodes du plasmatron (V) ;
I est l'amplitude de l'intensité du courant passant entre deux électrodes (A) ;
De est le diamètre de la spire le long de laquelle se déplace le plasma(m) ;
Vs est la vitesse du gaz d'alimentation du plasmatron (m/s).
kp est un coefficient empirique (kp ~6,31 10"2 m 5J"°'3s0'3)
L'angle maximum β doit obéir aux conditions exprimées par la relation :
β = arc sin (U.c.5.ATf/i.Y.Qp) (6)
où
U est la vitesse du flux entrant des fragments (m/s) ;
c est la capacité thermique du matériau des fragments à traiter ou des éléments pulvérisés (J/m3degré) ;
δ est la profondeur du traitement du fragment de matière ou de l'élément pulvérisé (m) ATf est l'augmentation de température de la fraction(ô) de fragment traitée
i est le nombre de jets de flux chargé de fragments introduits simultanément dans le réacteur (degrés);
Qp est la densité du flux d'énergie transféré par le plasma au fragment traité (W /m2)
Qp ~ (1/3) (kT)°'5m-°'5E/l.a (7)
où
k est la constante de Boltzmann (1,38 10~23 J/K) ;
T est la température moyenne du plasma (K) ;
m est la masse moléculaire moyenne des particules du plasma (kg) ;
E est la quantité moyenne d'énergie apportée par les particules du plasma (en pratique,
E ~ 1 eV = 1,6 10"19J) ;
I est la dimension moyenne des fragments ou éléments pulvérisés (m)
σ est la section efficace de diffusion des particules du plasma (pour l'air, σ ~ 10"19 m2).
En pratique, dans beaucoup de cas, on a Qp ~ 3,75 102 μ"0,5/Ι (8)
où μ est la masse molaire moyenne des particules du plasma (kg/mole).
Les relations (4) et (5) expriment la condition comme quoi la longueur du jet de plasma correspondant aux paramètres de génération du jet de plasma s'inscrit au moins dans le réacteur de longueur Y.
Les relations (6 - 8) expriment la condition comme quoi le temps de passage dans le réacteur du fragment de matière à traiter est au moins égal au temps nécessaire pour que l'énergie venant du plasma et nécessaire à la réaction voulue, soit transmise au fragment ( à l'élément pulvérisé). Le mouvement du plasma et des fragments (des éléments pulvérisés) à traiter selon des trajectoires coaxiales hélicoïdales sous des angles a et β, indépendants l'un de l'autre et en principe différents l'un de l'autre, permet d'une part de minimiser les dimensions du réacteur (notamment sa longueur) et d'autre part d'intensifier les échanges énergétiques entre le plasma et le flux de fragments (d'éléments pulvérisés) à traiter.
L'expérience pratique montre que le mouvement du plasma le long d'une trajectoire hélicoïdale est possible et que, si la vitesse Vs du flux entraînant le plasma est supérieure à 1 m/s, il n'y a pratiquement pas de courts circuits entre les spires consécutives de cette trajectoire pour des tensions entre les électrodes allant jusqu'à 30 kV. Cela s'explique par le fait que la conductivité électrique du canal hélicoïdal formé par la décharge reste importante lors des pauses entre les impulsions électriques dans les conditions de relaxation du plasma imposées dans la présente invention, et en tout cas de beaucoup supérieure à la conductivité électrique des zones périphériques au canal hélicoïdal dans lequel est concentré le plasma.
D'après les formules (4) et (5), on voit que l'angle a est d'autant plus petit que sont grands la puissance du plasmatron, la vitesse du gaz introduit dans le plasmatron et le diamètre du cylindre dans lequel s'inscrivent les électrodes.
D'après les formules (6) - (8), on voit que l'angle β est d'autant plus grand que la dimension / du fragment est petite et que l'échange d'énergie avec le plasma est grand.
En particulier, pour le traitement de fines poussières entraînées dans un flux puissant de gaz, comme, par exemple, dans le cas du traitement des poussières de charbons, de lignite, de tourbe dans un brûleur de chaudière, l'angle β devient égal à 90°. Si, en plus, la puissance du plasmatron est importante, on aura ~β ~ 90°. Dans ce cas le réacteur, selon la présente invention, devient un dispositif où le jet de plasma et le jet de gaz portant les fragments (les grains de poussière, les éléments pulvérisés) sont coaxiaux et aucun cyclone n'est nécessaire, les deux jets devenant colinéaires (voir Fig. 5).
Dans un autre cas particulier où le traitement de gros fragments est effectué avec un plasmatron de puissance relativement réduite, ce qui nécessite un contact prolongé des fragments traités avec le flux de plasma, les angles a et β deviennent proches de 0° et le réacteur selon la présente invention devient un cyclone de plasma tel que représenté à la Fig.6. Un tel cyclone est avantageux pour le traitement de biomasses et leur transformation en combustible intermédiaire tel que, par exemple, le bois torréfié, ou en biogaz, tel que, par exemple, le syngaz.
De manière générale, en résumant , on voit que des buts de la présente invention sont réalisés grâce à la génération d'un jet de plasma non-isothermique, à pression voisine ou supérieure à la pression atmosphérique, selon un procédé de traitement de matière fragmentée ou d'éléments pulvérisés dans un réacteur, par exemple de forme cylindrique ou conique, réalisé par un flux réactif rotationnel et un flux de gaz de support chargé de la matière fragmentée ou d'éléments pulvérisés mise en mouvement hélicoïdal, coaxial au réacteur, caractérisé en ce que le flux rotationnel est constitué d'un ou de plusieurs (j) jet(s), continus, de plasma réactif non-thermique, quasi-stable, dit à températures intermédiaires, (PIT), issu de plasmatrons PIT alimentés par courant alternatif et fonctionnant à pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique, plasma PIT, mis en mouvement turbulent, se déplaçant suivant une (des) trajectoire(s) hélicoïdale(s) de diamètre De sous un angle a par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du réacteur et que le flux de matière fragmentée est propulsé par un ou plusieurs (i) jets de gaz de support suivant une trajectoire hélicoïdale de diamètre D sous un angle β par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du réacteur, les angles a et β étant choisis en fonction du débit de la matière fragmentée ou des éléments pulvérisés entrants, G, des vitesses de l'agent propulsant U, de la vitesse du(des) jet(s) de plasma, Vs, de la dimension caractéristique moyenne des fragments entrants de matière, I, de la longueur de la zone de réaction Y, selon les conditions de plénitude des réactions: a (± 10%)= arc sin (Y/jA) β (± 15%) = arc sin U.c.ô.ATf/ i Y.Qp où
Λ est la longueur (exprimée en m) du (des) jet(s) de plasma non-thermique (PIT) à températures intermédiaires, donnée par la formule empirique Λ = kp (U l)°,3De°,2Vs0,3) ;
Qp est la densité (exprimée en W/m2) de flux d'énergie conférée aux fragments par le plasma, donnée par la formule
Qp = (1/3) (kTI)0,5. ml'0,5. E / I . σ; et où
c est la chaleur spécifique de la matière fragmentée ou pulvérisée (J/m3.K) ;
δ est la profondeur du traitement effectué sur les fragments de matière (m) ;
ΔΤί détermine l'intervalle de température dans lequel s'effectue le traitement (K) ; U et I sont respectivement l'amplitude, moyenne dans le temps, de la tension aux électrodes donnée par le (les) générateur(s) de jet(s) de plasma (en V) et I est l'amplitude, moyenne dans le temps, de l'intensité correspondante du courant qui y passe (en A) ;
Tl est la température moyenne des particules lourdes du plasma (en pratique 2000K) ;
Te est la température des électrons du plasma (PIT) à températures intermédiaires (K) ;
ml est la masse moyenne des particules lourdes du plasma (kg) ;
E (~kTI) est la quantité d'énergie plasmochimique conférée à un fragment de matière ou à un élément pulvérisé lors d'une collision avec une molécule I du jet de plasma non-thermique à températures intermédiaires, (J);
σ est la section efficace des particules du plasma par rapport aux collisions élastiques entre elles (en pratique, σ ~ 1CT19 m2) ;
k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 1CT23J/K) ;
kp est un coefficient empirique (kp~6,31 10-2ml0,5 J-0,3 s0,3) ;
La pratique des tests effectués selon la présente invention a montré que les marges de tolérances (de précision) des angles a et β tels qu'estimés à l'aide des relations [3] - [7], établies selon la pratique dés tests effectués, sont respectivement de (± 10%) pour a et de (± 15%) pour β.
Il faut remarquer que toutes les mesures destinées à intensifier les échanges énergétiques, en particulier entre le jet de plasma et les fragments solides à traiter, se heurtent à l'obstacle essentiel du traitement thermique des produits solides : la croissance de la température à l'intérieur de l'objet traité (le fragment) est soumise aux lois physiques de la conductivité thermique : la progression de Γ « onde thermique » est déterminée par la relation
Δχ = (Δτ λ/ρ c)0'5
où
λ, p et c sont respectivement le coefficient de conductivité thermique, la densité et la capacité thermique du matériau
Δτ est la durée de pénétration de l'onde thermique
Δχ est la profondeur de pénétration de l'onde thermique.
On a, en première approximation, Δχ = λ ΔΤ/ Q où Q est la densité de chaleur transférée au corps traité. Pour un procédé déterminé, ΔΤ est fixé. Plus grande est l'intensité de l'échange thermique (Q) plus petite est la profondeur de pénétration. Pour remédier à cet effet, il y a lieu, lors du traitement, d'éliminer au fur et à mesure du traitement (par exemple mécaniquement) les couches de produit déjà traitées. Une des possibilités est d'organiser le traitement des fragments de telle manière qu'ils s'entrechoquent pendant le traitement et que les couches superficielles traitées s'effritent et se séparent du corps non encore traité. L'addition dans les parois du réacteur d'aspérités de forme aiguë peut être efficace. Une autre solution est d'organiser le traitement de manière que les fragments soient traités rapidement (Δχ) dans le réacteur puis convoyés vers un concasseur qui casse et sépare les fragments de la croûte superficielle traitée et soient ensuite retournés au réacteur. Dans ce cas, le concasseur vient s'intégrer au réacteur revendiqué à la présente invention. Il est possible de cette manière d'augmenter sensiblement la cadence du traitement.
Par exemple, dans le cas de la production de poussière de bois torréfié, les estimations et les tests préalables ont montré que la vitesse de traitement des déchets de bois dans un réacteur tel que revendiqué dans la présente invention, peut être augmentée de 100 fois par rapport à la vitesse de production par procédé thermique dans un dispositif du type « Torbed© » (voir www.torftech.com).
Il est à remarquer que la présente invention permet d'effectuer la sélection des produits créés dans le réacteur revendiqué. En particulier, l'invention permet de produire des fragments traités de dimension maximum l0 fixée. Cela est possible par un choix du diamètre d du conduit d'évacuation des produits traités.
Dispositif, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit de sortie (9) des produits créés dans le réacteur est construit de manière que son diamètre intérieur d est limité selon la revendication 3 en fonction du diamètre D des spires (8) suivies par le flux de gaz porteur chargé des fragments ou d'éléments pulvérisés (5), de l'angle β défini selon la revendication 1, de la dimension exigée, \Q, des particules à produire dans le réacteur et des densité pc et pg de la matière des fragments ou des éléments pulvérisés traités et du gaz porteur, selon la formule d < [ 4D2 /0/(tg )2(pg/Pc)]1 3.' Ce choix s'effectue selon la relation
/0 > (tg )2 (Pg / Pc) d3/ D2 (9)
où
pg et Pc sont respectivement les densités de la phase gazeuse et de la phase solide du flux pénétrant dans le conduit de sortie ;
D est le diamètre de la spire d'entrée du flux de matière fragmentée (voir Fig. 2)
La relation (9) est obtenue à partir de la condition d'égalité de la force centrifuge agissant sur la particule sortante suite à son mouvement circulaire, cette force s'accroissant à mesure que la particule de dimension / se rapproche dans son mouvement circulaire de l'axe du réacteur, à la force de résistance hydrodynamique de la particule entraînée par le flux de gaz s'engouffrant dans le conduit de sortie du réacteur. Il est important de remarquer que la dimension des particules sortantes / dépend de l'angle β et donc des paramètres du réacteur revendiqué dans la présente invention comme le montrent les relations (6) - (8).
En résumant, la présente invention revendique un dispositif caractérisé en ce que le conduit de sortie (9) des produits créés dans le réacteur est construit de manière que son diamètre intérieur d soit limité en fonction du diamètre D des spires (8) suivies par le flux de gaz porteur chargé des fragments ou d'éléments pulvérisés (5), de l'angle β, de la dimension exigée, 10 , des particules à produire dans le réacteur et des densité pc et pg de la matière des fragments ou des éléments pulvérisés traités et du gaz porteur, selon la formule
d≤[ 4D2 l0/(tg3)2(pg/pc)]l/3.
Le schéma de mode d'alimentation du générateur de plasma revendiqué dans la présente invention est illustré sur la Fig. 1. De manière générale, comme l'illustre la Fig.la, l'alimentation est effectuée par paquets d'impulsions de courant électrique d'amplitude I, et de tension d'amplitude U. Le courant est généré par ondes bipolaires à haute fréquence Vi = l/ii, en particulier, de forme sinusoïdale. Des paquets d'ondes sont formés. Leur durée est τ2. Cette durée est choisie de manière que l'amplitude du courant électrique n'excède pas une valeur de l'intensité du courant I correspondant à une température, et donc une conductivité électrique, donnée du plasma PIT. En pratique,
3< I <30 A,
ce qui correspond à la recommandation empirique x2 = ψ/U.I. où ψ est la quantité d'énergie contenue dans le volume du jet de plasma, c'à d. le produit de l'enthalpie voulue par le volume du plasma. Typiquement, ψ ~103J
Le laps de temps τ3 entre les impulsions est au plus égal au temps de relaxation du plasma comme il l'est dit plus haut dans le paragraphe de la description de la présente invention où sont analysés les paramètres des impulsions électriques.
La Fig. lb illustre, en fait d'exemple, un cas particulier de mode d'alimentation du plasma PIT par courant alternatif traditionnel de fréquence 50 Hz. Dans ce cas, tl= τ2= 0,02 s, et τ3=0. Ce mode de génération, utilisé notamment dans l'invention (P.Koulik, A. Saychenko, PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA GENERATION D'UN JET DE PLASMA NON- ISOTHERMIQUE, brevet FR10/01928, PCT / FR 2011/ 000277 (WO 2011/138525 Al), date de priorité 05.05.2010) est applicable et très facile à réaliser en pratique avec une source de courant composée d'un transformateur élévateur de tension et un système d'inductances limitant le courant dans le circuit primaire ou secondaire (la Fig. 1 représente le cas particulier de l'utilisation d'inductances dans le circuit secondaire) auquel sont raccordés les électrodes. Cependant, si on s'en réfère aux conditions décrites plus haut, ce mode de génération n'est pas optimal pour l'obtention des paramètres appropriés et voulus du plasma PIT. Les conditions émises dans la présente invention permettent d'optimiser ce mode d'alimentation et donc de créer un nouveau milieu de plasma avantageux pour la réalisation des buts de l'invention.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de traitement de matière fragmentée par flux de plasma réactif à pression atmosphérique tel que défini dans l'invention présente est illustré par la Fig. 2.
Comme le montre la Fig.2a, la partie centrale du réacteur est le générateur de plasma PIT (1) assurant la génération d'un jet de plasma non-thermique à température intermédiaire qui est le résultat d'une décharge électrique de haute tension à impulsions telles que montrées sur la Fig.l. Le présent dispositif est caractérisé en ce qu'il est généré par des impulsions de tension et de courant d'amplitudes données contrôlables U et I, organisées en paquets d'ondes bipolaires à haute fréquence de forme sinusoïdale, en dent de scie ou en créneaux ou autres, dont la durée et la fréquence sont réglées de manière à maintenir la décharge en état non-stationnaire pour lequel se réalise un état du plasma hors d'équilibre thermodynamique. Cette organisation est réalisée dans le dispositif de génération d'impulsions (10) alimenté, par exemple, par un courant alternatif triphasé venant du réseau accédant à un transformateur élévateur de tension. La présence dans ce dispositif de moyens de limitation de l'amplitude du courant électrique (par exemple des inductances ballastes placées dans le circuit primaire (2), ou secondaire (2') du transformateur du générateur) de la fréquence de répétition des paquets d'impulsions et de la période de répétition de ces paquets (par exemple un système de thyristors (3)) permettent de régler les niveaux des températures Ti et Te. La température des composants lourds T| du plasma (molécules, radicaux, atomes, ions) peut ainsi être variée, par exemple, entre 1000 et 6000 K, et la température des électrons, de 10 000 à 20 000 K. Les variations de températures dans ces diapasons permettent donc de réaliser un grand spectre de réactions plasmochimiques dans le réacteur.
Ce sont également ces dispositions qui permettent d'obtenir une longueur importante du jet de plasma (entre 0,5 et 5m pour des puissances de 10 à 100 kW et des vitesses de gaz comprises entre 1 et 10 m/s), condition indispensable et exclusive pour la réalisation de la présente invention puisque le plasma peut dans ce cas être organisé sous forme d'un tourbillon ou cyclone de plusieurs spires (7) qui offre un grand volume d'échanges énergétiques notamment avec le flux de matière fragmentée ou pulvérisée (8) qui fait l'objet du traitement dans le réacteur considéré dans le cadre de la présente invention. Il est évident que, suite aux échanges entre les deux flux (7) et (8), ces deux flux se mélangent à une certaine distance du lieu de leur formation.
Des dispositifs de génération à deux, trois, six électrodes sont réalisables. La Fig. 2a illustre l'utilisation de générateur à trois électrodes (11). Un, deux ou plusieurs générateurs de plasma de ce type peuvent être installés dans la paroi du réacteur.
La Fig. 2b qui est une section AA du réacteur tel que montré sur la Fig.2a illustre l'utilisation simultanée de deux générateurs de plasma.
Dans le cas où l'on utilise un système de limitation du courant électrique dans le plasma PIT constitué, par exemple par des inductances (2') introduites au secondaire dans le circuit de chacune des électrodes, ce mode d'alimentation peut desservir un nombre illimité de plasmatrons.
Comme le montre le schéma de la Fig.2a, les générateurs de plasma 1 ainsi que les conduits d'apport du (des) flux de gaz de support 4 chargé des fragments à traiter 5 sont fixés sur le réacteur de manière à créer respectivement des angles a et β avec le plan 6, perpendiculaire à l'axe du réacteur selon les relations (4) (5) et (6)-(8) respectivement, ce qui permet d'organiser les flux de plasma 7 et de matière fragmentée ou d'éléments pulvérisés 8 au moins en deux jets hélicoïdaux indépendants l'un de l'autre mais qui, à une certaine distance du lieu de formation, se mélangent. Cette géométrie, ainsi que le choix des dimensions D et De et des vitesses du mouvement du plasma Vs et du mouvement des fragments U, permet d'optimiser l'intensité des échanges énergétiques et la plénitude des réactions plasmochimiques qui ont lieu dans le réacteur faisant l'objet de la présente invention.
Le diamètre d du conduit de sortie 9 est choisi de manière que le gaz de sortie ne contienne que des particules solides de dimension inférieure à une dimension donnée l0 selon l'équation 9 :
Le réacteur peut avoir la forme d'un cône 12, comme le montre la Fig.2a, ou d'un cylindre.
Les gaz résiduels qui peuvent contenir des particules solides de dimension supérieure à /0 sortent du réacteur par un conduit 13.
Le dispositif illustré par la Fig. 2 fonctionne de la manière suivante: au moment de l'amorçage de la décharge dans le plasmatron 1, alimentée par des impulsions électriques à partir d'un générateur 10, impulsions conditionnées par des dispositifs de limitation de l'amplitude du courant électrique, par exemple des inductances 2, et des dispositifs 3 de formation d'impulsions de courant électrique bipolaire, un arc de plasma PIT se stabilise par les forces électromagnétiques et la traînée du flux de gaz qui baigne les électrodes 11 et pénètre dans le réacteur sous un angle a par rapport au plan 6 perpendiculaire à l'axe du réacteur suivant une trajectoire hélicoïdale de diamètre De. Le jet de plasma PIT 7 ainsi créé se localise le long des spires de l'hélice car la conductivité électrique de la zone de plasma est, à tout moment, de beaucoup supérieure à la conductivité électrique des zones voisines. Un jet de gaz 8 chargé de fragments ou d'éléments pulvérisés de matière à traiter 5 est alors injecté dans le réacteur le long d'une trajectoire hélicoïdale de diamètre D qui fait un angle β avec le plan perpendiculaire à l'axe du réacteur. Les vitesses respectives Vs et U des flux sont différentes ce qui concourt à créer des échanges énergétiques intenses entre les flux. Les angles a et β sont choisis de manière que la zone de plasma soit entièrement contenue dans le volume du réacteur et que le procédé plasmochimique escompté se passe entièrement durant le déplacement des fragments ou des éléments pulvérisés le long de leur trajectoire hélicoïdale à l'intérieur du réacteur. Les conditions (5) - (8) ont lieu. Les courants hydrodynamiques qui ont lieu et le diamètre d du conduit (9) d'évacuation des parcelles de matière résiduelles sont organisés et choisis de manière que, si nécessaire, seulement les particules résiduelles de dimension inférieure à une dimension donnée l0 sont évacuées par le conduit (9). Les autres résidus de dimension supérieure restent dans le réacteur jusqu'à ce que leur traitement soit compatible avec les exigences pour le produit sortant ou bien sont évacués par des conduits (13).
La Fig. 3 montre une variante de mise en œuvre de la présente invention selon laquelle le réacteur, de géométrie cylindrique, est une enceinte hermétique destinée à la production de produits combustibles sans contact avec toute atmosphère oxydante, en particulier l'air ambiant. Le produit à traiter est introduit par le conduit (4) dans le réacteur sous forme de gaz chargé de fragments de matière ou d'éléments pulvérisés à traiter (5). Le gaz porteur de fragments (5) est introduit sous un angle β entre l'axe du conduit (4) et le plan perpendiculaire à l'axe du réacteur suivant une trajectoire hélicoïdale (7). Le plasma, généré par le plasmatron (1) pourvu des électrodes (11) est introduit sous un angle a entre l'axe du plasmatron (1) et le plan perpendiculaire à l'axe du réacteur suivant une trajectoire hélicoïdale (8). La Fig. 3 montre une variante du réacteur correspondant au cas où les deux flux vont à l'encontre l'un de l'autre. Le plasmatron l et le conduit (4) sont montés sur des rotules (26) qui permettent de varier, régler, optimiser et contrôler les angles d'attaque du flux de plasma, a, et du jet de gaz chargé de fragments à traiter, β. Sous l'effet des forces centrifuge et hydrodynamique, les fragments à traiter se propagent le long des parois du réacteur. Pour accélérer le procédé de traitement ces parois sont pourvues d'aspérités qui peuvent avoir la forme de pointes (31) destinées à concasser les fragments ou à les libérer de la couche cassante de produit formé à leur surface (par exemple dans le cas de la torréfaction de fragments de bois). Pour augmenter les forces centrifuges qui agissent sur les fragments traités, la paroi périphérique du réacteur peut être exécutée sous forme de tambour tournant, pourvu d'un système d'engrenages (30) et mis en mouvement de rotation par un moteur (29). Le tambour est supporté par des coussinets étanches (28). Le plasmatron est alimenté en gaz par le fluide provenant de la cavité du réacteur. Par l'intermédiaire des conduits (19) et (20) et du compresseur (ou ventilateur) (18).
Les particules traitées répondant aux conditions (9) sont évacuées par le conduit (9). Les particules (17) qui ne répondent pas aux conditions (9) sont évacuées par l'intermédiaire d'un collecteur (12) et d'un réceptacle (13) d'où , par un conduit (23), elles sont dirigées vers le dispositif d'entrée (27) du flux de gaz chargé des fragments ou des éléments pulvérisés à traiter dans lequel, par l'intermédiaire du conduit (22) et du doseur de fragments (21) est introduit le flux initial de gaz chargé de fragments ou d'éléments pulvérisés à traiter.
Un conduit (16) est prévu pour prélever une partie du gaz généré dans le réacteur et l'envoyer par l'intermédiaire du ventilateur (15) dans le réacteur en flux tourbillonnant (25) , ce qui permet de renforcer le mouvement de cyclone de gaz chargé de fragments de matière ou d'éléments pulvérisés à traiter. Sur la Fig 3 n'est représenté qu'un seul plasmatron. En réalité, on peut utiliser un nombre illimité de plasmatrons, de manière à créer un milieu réactif uniforme de grand volume et de hautes puissances et productivités. La Fig. 4 illustre une autre réalisation de la mise en œuvre de la présente invention dans le cas où la matière à traiter se présente sous forme de fragments 5 fortement agglomérés ou de grosses tailles. Le produit venant du conduit d'entrée 4 est introduit dans le réacteur par une trémie 40 et passe dans le réacteur par l'intermédiaire d'un mécanisme, par exemple, une vis sans fin actionnée par un moteur et un système d'engrenages 30. Les fragments ainsi introduits, dotés d'un mouvement de rotation 8 se répartissent dans une zone périphérique 36 du réacteur. Le plasma est généré par le plasmatron 1 pourvu des électrodes 11. Il pénètre dans la zone de réaction 35, entraîné par un gaz périphérique entrant par le conduit 33 qui subit une impulsion de rotation due à la présence d'une grille 32 (nid d'abeilles) disposée sur son passage. Au démarrage du réacteur le gaz périphérique (par exemple de l'air 38) rentre par le conduit 39 pourvu d'une vanne. Quand le réacteur fonctionne normalement, la vanne 39 est fermée et le réacteur est alimenté par le gaz produit dans le réacteur par un système de récupération de gaz comprenant un conduit 43, une valve de réglage du débit 39', un réfrigérant 42, un compresseur 41. Comme le montre la Fig.4, une partie de ce gaz est introduite directement dans le réacteur par le conduit 54.
Le gaz produit est évacué par le conduit 23. Les restes de fragments 27 sont renvoyés par le conduit 9 vers l'entrée du réacteur. Le déflecteur 37 empêche les restes de fragments non traités de s'accumuler dans le réacteur et de former des obstructions.
Le réacteur est fixé par un support 34.
Dans le cas considéré, selon les appellations de la présente invention, l'angle a varie entre 20°et 60° tandis que l'angle β est pratiquement égal à 90° vu le mode utilisé de propulsion mécanique des fragments de matière à traiter.
Une autre mise en œuvre de la présente invention est réalisée et illustrée par la Fig.5. Dans ce cas les fragments à traiter ou les éléments pulvérisés 5 ont de très petites dimensions, ce qui fait que les angles a et β sont pratiquement égaux à 90°. C'est le cas des brûleurs de chaudières ou de chambre de combustion pour turbines ou encore de réacteur de transformation de biomasse, par exemple, où le flux de matière à traiter est représenté par un flux d'air chargé de poussières de charbon, de lignite, de tourbe séchée et moulue, ou de poussières de charbon de bois ou encore de poussières de bois torréfié ou simplement de gaz combustible, etc. Le réacteur, proposé dans la présente invention pour ce cas, est un brûleur à plasma PIT que l'expérience a montré être avantageux en comparaison des brûleurs à mazout ou fioul ou à gaz naturel.
Sur la Fig.5a, le brûleur proposé est fixé dans la paroi de la chaudière (de la chambre de combustion, du réacteur) par le support 34. Il est essentiellement constitué d'un plasmatron PIT 1 pourvu d'électrodes 11, tel que décrit pour les applications des Fig.2, Fig.3 et Fig.4. Les fragments 5 sont amenés par un flux de gaz 4 dans un conduit cylindrique coaxial au plasmatron 1 alimenté par un flux, par exemple d'air 46. Entre le canal du plasmatron et le conduit d'entrée du flux de gaz chargé, par exemple, de poussières de combustible, est disposé un conduit intermédiaire alimenté par un flux, par exemple d'air 43 qui traverse, par exemple, une grille en nid d'abeilles 32 destinée à former le profil des vitesses du gaz entre le flux alimentant le plasmatron et le flux de gaz porteur des poussières de combustible dans la zone · (36)-(55). Ce flux intermédiaire permet d'éviter un mélange turbulent (brutal) du flux 4 et du jet de plasma qui provoquerait un dégagement de chaleur de combustion trop intense et trop concentré vu les propriétés catalytiques du jet de plasma PIT. La grille 32 profile les vitesses du flux intermédiaire de manière que le mélange ait lieu de manière progressive et que la chaleur de combustion dégagée se répartisse dans un grand volume de la chaudière. La structure du jet de plasma est constituée d'une zone initiale 35 et d'une zone de mélange avec le flux intermédiaire (35)-(36). Les profils de vitesses des flux de gaz coaxiaux se transforment dans la zone (36)-(55). Les poussières n'entrent en contact avec les particules actives du plasma que dans la zone de flux intermédiaire (55)-(45). Le front de combustion des poussières dans l'air ne se développe que dans la zone étendue {45) - (44) où les particules de combustible petit à petit disparaissent, transformées en C02 et H20.
La solution que présente la Fig.5a se diffère des solutions existantes par le fait que le plasma se développe dans un espace important, que le plasma est en état fortement excité (PIT), ce qui permet une combustion efficace, par exemple dans un grand volume de la chaudière, que les pertes thermiques sont très faibles et que le rendement du brûleur est proche de 85 - 90%.
Cette mise en œuvre de la présente invention peut être utilisée dans le cas où le support 34 fixe le plasmatron 1 à la paroi d'un container à haute pression. Dans ce cas, il est important de pouvoir allumer le jet de plasma PIT à haute pression. A cet effet, comme le montre la Fig. 5b, les électrodes 11 du plasmatron PIT sont pourvus d'ergots réglables 54 qui permettent de varier la distance de court-circuitage 55 en fonction du niveau de la pression dans le container.
La Fig. 6. illustre un autre cas extrême de l'application de la présente invention. Les fragments traités dans ce cas sont de grandes dimensions. Cela correspond à la situation telle que proposée dans la présente invention où les angles a et β sont tous deux proches de 0°.
La partie périphérique de la cavité du réacteur 47 se présente sous forme d'un tore. Les fragments 5 sont introduits tangentiellement dans cette cavité, par exemple mécaniquement, au moyen du conduit 48 pourvu d'une vis sans fin 49. Le flux de matière à traiter se meut dans la cavité du réacteur selon une trajectoire pratiquement circulaire 51. Le (les) plasmatrons du type PIT 1 avec ses (leurs) électrodes 11, tels que décrit dans les Fig. 2, Fig.3 et Fig.4, est(sont) fixé(s) dans le corps du réacteur de manière que l'axe du(des) jet(s) de plasma généré(s) 7 soit tangentiel à l'axe du tore. Un jet de gaz de support 8 issu du conduit 4 et un jet 53 de gaz catalyseur (par exemple de vapeurs d'eau 52), sont également injectés tangentiellement. Dans le cas de la Fig6, Les quatre jets se rejoignent et se mélangent dans la cavité toroïdale. Les gaz et les particules solides 13, produits selon les conditions 9 de la présente invention, sont évacués par le conduit de sortie 9.
Un dispositif de ce type, exécuté en mode hermétique avec cycle fermé des gaz produits, peut être utilisé, par exemple, pour la production de poussières de bois torréfié qui, par la suite, peuvent être compressées en granules torréfiées, prêtes à être transportées sur le lieu de leur utilisation, par exémple 'de leur combustion dans une chaudière ou dans une chambre à combustion de turbine à gaz.
Ce dispositif peut fonctionner à pression atmosphérique et à haute pression (<100 bars).
La Fig. 5b illustre le cas de l'utilisation de 3 électrodes. Mais la solution proposée est valable pour un plasmatron PIT contenant 2 ou 6 électrodes.
Exemples d'applications de la présente invention.
Exemple 1
Réacteur de plasma non-thermique à base d'air applicable en tant que brûleur de chaudière de centrale électrique (voir schéma Fig.l)
• Localisation des tests: Frunze (Bishkek, Khirghiztan) centrale électrique à charbon;
• Type de Chaudière: BKZ - 160 . 100 F
• Débit d'air dans le plasmatron : ~ 0,lm3/s
• Débit d'air dans le flux intermédiaire : ~ 0,3 m3/s
• Débit d'air porteur de fragments : ~ 1 m3/s
• Nature des fragments : poussière de charbon pulvérisé.
• Dimension des particules : entre 10 et 100 μιη
• Puissance : 50 kW
• Pression : 1 bar
• Tension aux électrodes : U =10 kV
• Courant électrique maximum : I = 30 A
• Fréquence du courant alternatif triphasé : 50 Hz
• Quantité d'électrodes : 6
• Longueur de jet de plasma : ~ 2m
• Dispositif de stabilisation: distributeur à nid d'abeilles.
• Le jet de plasma conserve ses propriétés grâce aux mesures prises pour le stabiliser.
• Débit maximum de charbon pulvérisé dans le brûleur à plasma: 1 ton/h
• Caractéristiques du charbon pulvérisé :
o HP = 16,7 MJ/kg.
o Contenu en cendres : 35% ;
o contenu volatile : 28 - 38%
• Quantité de brûleurs à fioul sur la chaudière : 8 (2étages de 4)
• Quantité de brûleurs de plasma installés pour remplacer les brûleurs à fioul: 2
• Niveau d'Installation: second
• Durée des tests: ~ 10 jours x 8 heures
• Résultats des tests:
o Débit total de fioul sans brûleurs à plasma: 500kg/h
o Débit total de fioul avec brûleurs à plasma: 350kg/h o Economie: 1 brûleur PIT donne une économie de fioul de 75 kg/h, soit ~70€/h Réacteur de plasma non-thermique à base de gaz de composition complexe à pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique applicable pour la fabrication de poudres de bois torréfié.
• Type de réacteur : Voir schéma Fig.6.
• Exécution hermétique.
• Puissance électrique : 100 kW.
• Amplitude de la tension aux électrodes : U = 10 kV
• Amplitude du courant : I = 10A
• Fréquences et périodes :
Figure imgf000024_0001
• Quantité d'électrodes : 6
• Diamètre intérieur du réacteur : 1 m
• Diamètre du cylindre inscrivant les électrodes : 0,15 m
• . Diamètre du cercle tangent à l'axe du réacteur : 0, 8 m
• Diamètre du cercle tangent à l'axe d'entrée des fragments à traiter : 0,7m
• Diamètre du cercle tangent à l'axe du canal d'introduction des vapeurs d'eau :
0,9 m
• Diamètre d du tube de sortie (9) du réacteur : 16 mm
• Nature des fragments : Déchets de bois de sapins et de pins sous forme de copeaux broyés.
• Dimensions caractéristiques des fragments : entre 0,01 et 0,1 m
• Débit des fragments : 1 T/h
• Débit de la poudre de bois torréfié obtenu : 0,2 T/h
• Puissance dépensée (principalement pour l'évaporation de l'eau contenue dans les déchets de bois) ~ 90 kW
• Rendement thermique : ~ 0,9
• Dimension des particules de bois torréfié obtenues : entre 0,005 et 0,02 mm
• Dimension des fragments produits et sélectionnés dans le tube de sortie selon le calcul par la formule [8] pour le diamètre 16 mm : 0,01 mm(des aspérités sous forme de pointes métalliques de hauteur 3mm sont aménagées dans la paroi du réacteur. Un concasseur est installé dans le canal de retour des fragments traités) ;
Exemple 3
Réacteur plasma PIT pour la transformation de déchets de bois en syngaz.
• Type de réacteur : Voir schéma Fig.3.
• Exécution hermétique.
• Puissance électrique : 90 kW
• Pression : 1,1 bar. • Amplitude de" la tension aux électrodes : U = 12 kV
• Amplitude du courant : I = 5A
• Fréquences et périodes caractéristiques suivant la présente invention:
o V! = 13,6 MHz
o τ2 = 2.10"2 s
o t3 = 410'2s
• Quantité d'électrodes du plasmatron : 3
• Diamètre intérieur du réacteur : 1 m
• Diamètre du cylindre inscrivant les électrodes : 0,2 m
• Diamètre des spires du jet de plasma: 0, 8 m
• Diamètre des spires des fragments à traiter : 0,8m
• Flux inverses du plasma et du gaz portant les fragments.
• Dimension caractéristique des fragments à l'entrée du réacteur: ~ 0,01 m
• Paramètres du réacteur calculés selon les recommandations données dans la présente invention et réalisés sur le réacteur :
o Angle a réalisé selon calcul par les formules [3] et [4]: ~ 30° o Angle β réalisé selon calcul par les formules [5] et [6]: ~ 20°
• Débit des fragments : 1 T/h
• Température de formation du syngaz : ~ 900°C
• Débit de syngaz (CO + H2) obtenu : ~ 0,2 kg/s.
Conclusions ressortant des exemples :
1. La mise en oeuvre de la présente invention permet d'obtenir des longueurs et des volumes de jet de plasma non-isothermique dans le sens des formules (1) - (3) de la présente invention de l'ordre de plusieurs mètres, ce qui permet de déplacer le plasma le long de spires qui se mélangent avantageusement au flux de gaz porteur chargé de matière fragmentée ou pulvérisée à traiter.
2. Les angles d'entrée du jet de plasma et du flux de gaz portant chargé des fragments de matière à traiter, tels que calculés selon les recommandations données dans la présente invention permettent de réaliser les buts de l'invention.
3. Dans le cas où le procédé et le dispositif correspondant sont réalisés dans le but de fabriquer des particules de combustible solide à partir du jet de gaz porteur chargé des fragments de matière à traiter, la présente invention permet de produire des poudres de granulométrie voulue en observant les recommandations établies.
4. Le plasmatron PIT conçu dans la présente intention et alimenté comme la présente invention le recommande, s'est avéré efficace dans les différents modes réalisés en pratique de mise en oeuvre de la présente invention, notamment en tant que brûleur assisté par plasma, avantageusement utilisable pour l'alimentation des chaudières de centrales électrique. Le procédé revendiqué et le dispositif pour sa mise en œuvre, tels qu'utilisés dans les présents exemples, permettent d'atteindre des buts de la présente invention. En particulier, les exemples fournis ont démontré qu'ils peuvent être exploités dans différents modes de réalisation, notamment, sans être pour autant limitant, pour produire des poudres de combustibles telles que les poudres de bois torréfié et des gaz combustibles tel que le syngaz.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de matière fragmentée ou d'éléments pulvérisés dans un réacteur, par exemple de forme cylindrique ou conique, réalisé par un flux réactif rotationnel et un flux de gaz de support chargé de la matière fragmentée ou d'éléments pulvérisés mise en mouvement hélicoïdal, coaxial au réacteur, caractérisé en ce que le flux rotationnel est constitué d'un ou de plusieurs (j) jet(s), continus, de plasma réactif non-thermique, quasi-stable, dit à températures intermédiaires, (PIT), issu de plasmatrons PIT alimentés par courant alternatif et fonctionnant à pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique, plasma PIT, mis en mouvement turbulent, se déplaçant suivant une (des) trajectoire(s) hélicoïdale(s) de diamètre De sous un angle a par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du réacteur et que le flux de matière fragmentée est propulsé par un ou plusieurs (i) jets de gaz de support suivant une trajectoire hélicoïdale de diamètre D sous un angle β par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie du réacteur, les angles a et β étant choisis en fonction du débit de la matière fragmentée ou des éléments pulvérisés entrants, G, des vitesses de l'agent propulsant U, de la vitesse du(des) jet(s) de plasma, Vs, de la dimension caractéristique moyenne des fragments entrants de matière, I, de la longueur de la zone de réaction Y, selon les conditions de plénitude des réactions:
a (± 10%)= arc sin (Y/jA) β (± 15%) = arc sin U.c.6.ATf/ i Y.QP où
Λ est la longueur (exprimée en m) du (des) jet(s) de plasma non-thermique (PIT) à températures intermédiaires, donnée par la formule empirique Λ = kp (U /)û'3De 0'2Vs 0'3) ;
Qp est la densité (exprimée en W/m2) de flux d'énergie conférée aux fragments par le plasma, donnée par la formule
Qp = (l/3) (kTi)0'5. mf°'5. E / l . a;
et où
c est la chaleur spécifique de la matière fragmentée ou pulvérisée (J/m3.K) ;
δ est la profondeur du traitement effectué sur les fragments de matière (m) ;
ATf détermine l'intervalle de température dans lequel s'effectue le traitement (K) ; U et / sont respectivement l'amplitude, moyenne dans le temps, de la tension aux électrodes donnée par le (les) générateur(s) de jet(s) de plasma (en V) et / est l'amplitude, moyenne dans le temps, de l'intensité correspondante du courant qui y passe (en A) ;
T| est la température moyenne des particules lourdes du plasma (en pratique 2000K) ;
Te est la température des électrons du plasma (PIT) à températures intermédiaires (K) ;
mi est la masse moyenne des particules lourdes du plasma (kg) ; E (~kTI) est la quantité d'énergie plasmochimique conférée à un fragment de matière ou à un élément pulvérisé lors d'une collision avec une molécule I du jet de plasma non-thermique à températures intermédiaires, (J);
σ est la section efficace des particules du plasma par rapport aux collisions élastiques entre elles (en pratique, σ ~ 10"19 m2) ;
k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 10~23J/K) ;
kp est un coefficient empirique (kp~6,31 ÎO' '5 J'0'3 s0,3) ;
2. Procédé selon les revendications précédentes caractérisé en ce que les jets de plasma non-thermique PIT à températures intermédiaires, entraînés dans leur mouvement hélicoïdal, sont alimentés par une tension et un courant alternatifs bipolaires en impulsions, chaque impulsion étant constituée d'un paquet d'ondes d'amplitudes respectives U, par exemple entre 0,1 et 100 kV, et \, par exemple entre 0,1 et 30 A, générées à une fréquence Vi, par exemple entre 50Hz et 100 MHz, les grandeurs U, I, et VT étant suffisantes pour amorcer le plasma par étincelle de court- circuitage, et dont la durée τ2, par exemple entre 1 et 1000 ms, est suffisante pour atteindre une température T| donnée dans les marges 1000 < T| < 6000 K et inférieure à la température du plasma stationnaire isothermique (en équilibre thermodynamique) généré à la fréquence i, les impulsions se répétant à des laps de temps τ3, par exemple entre 1 et 1000 ms, inférieurs au temps de relaxation du plasma, celui-ci étant égal à la durée maximale de recombinaison des électrons avec les ions générés dans le plasma, les temps caractéristiques de la génération des impulsions étant soumis aux relations :
Ti (= 1/vi), cette génération pouvant avantageusement être réalisée sous forme d'ondes bipolaires à haute fréquence, sinusoïdales, en créneaux, en dents de scie, etc. ; τ2= ψ/υ.Ι.
où ψ = npi(kT|)Wpi est la quantité d'énergie contenue dans le jet de plasma de volume Wpi et de densité moléculaire npi (typiquement, à pression atmosphérique, ψ ~ 103.)
T3≤ "£ ~ (kT|) 1,5 (m,)°.5 P ap ,
où
σρ est la section efficace moyenne de recombinaison des électrons avec les ions du plasma (σρ ~ 10 " 20 m2) ;
P est la pression (P > 105 Pa),
k est la constante de Boltzmann (k = 1,38 10"23 J/K),
Ti est la température des particules lourdes du plasma (T~2 103 K),
ce mode d'alimentation étant, en particulier, réalisable quand Vi = 50 Hz, ti = τ2 = τ3 = 0,02 s.
3. Procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules solides résultant du procédé sont piégées dans le réacteur et traitées jusqu'à ce que leur dimension devienne plus petite qu'une dimension limite choisie /0, dans quel cas elles sont automatiquement sélectionnées et évacuées par un conduit axial de diamètre d, le choix des paramètres du réacteur pour ce faire étant soumis à l'équation:
/0- (tg )2(pg/Pc)d3/4D2 ;
où
pg et pc sont respectivement les densités moyennes de la phase gazeuse et de la phase solide (matière des fragments) présentes dans le réacteur ;
D est le diamètre de la spire le long de laquelle sont introduits les fragments de matière à traiter dans le réacteur.
4. Procédé selon les revendications précédentes caractérisé en ce que l'agent gazeux propulsant et /ou le gaz de support du plasma sont constitués par une partie ou l'entièreté du gaz résultant du traitement, renvoyé à l'entrée du réacteur après sa formation dans le réacteur, son éventuel refroidissement et son passage dans un système de compression.
5. Procédé selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que les angles a et β sont égaux et le flux de plasma issu du plasmatron PIT ainsi que le flux du gaz porteur des fragments à traiter sont coaxiaux, en particulier ont la même direction de propagation.
6. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendications 1, caractérisé en ce que le flux rotationnel de gaz réactif est créé par un ou des plasmatrons PIT (1) pourvus d'électrodes (11), plasmatrons fixés sur le réacteur par des moyens de fixation (par exemple 26) de manière à ce que le ou les jet de plasma (7) qu'il génère soient dirigés sous un angle a par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du réacteur, tel que défini dans la revendication 1 et que le flux de gaz de support chargé de la matière fragmentée ou d'éléments pulvérisés (5) mise en mouvement hélicoïdal (8) soit dirigé au moyen d'un conduit (4) fixé par des moyens de fixation (26') sous un angle β par rapport au plan perpendiculaire à l'axe du réacteur, tel que défini dans la revendicationl.
7. Dispositif selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le plasmatron PIT dont les électrodes, au nombre de deux, trois ou six, peuvent être pourvus d'ergots (54) permettant de varier par leur rotation la distance minimale entre eux pour pouvoir générer l'étincelle de court-circuitage à différentes pressions, est alimenté par un générateur d'impulsions électriques (10) contenant des moyens de limitation de l'amplitude de courant (par exemple des inductances (2) placées sur chaque phase d'alimentation, soit dans le circuit primaire, soit dans le circuit secondaire d'un transformateur élévateur de tension, cas où ce mode d'alimentation peut desservir un nombre illimité de plasmatrons) et des systèmes de transistors (3) permettant de former les impulsions électriques selon la revendication 2 ainsi que les moyens de mesures des paramètres mentionnés qui en permettent l'optimisation.
8. Dispositif, selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit de sortie (9) des produits créés dans le réacteur est construit de manière que son diamètre intérieur d est limité selon la revendication 3 en fonction du diamètre D des spires (8) suivies par le flux de gaz porteur chargé des fragments ou d'éléments pulvérisés (5), de l'angle β défini selon la revendication 1, de la dimension exigée, l0, des particules à produire dans le réacteur et des densité pc et pg de la matière des fragments ou des éléments pulvérisés traités et du gaz porteur, selon la formule d < [ 4D2 /0/(tg^2(pg/pc)]1/3.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la propulsion des fragments (5) s'effectue mécaniquement par des moyens tels que, par exemple, une vis sans fin de type (30) ou (49) et que la progression des fragments traités (5) soit organisée de manière, que dans leur mouvement, lesdits fragments s'entrechoquent et se concassent, par exemple, suite à la présence d'aspérités (31) dans la paroi intérieure du réacteur ou de concasseur installé dans le canal de renvoi des fragments insuffisamment traités vers l'entrée dans le réacteur.
10. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le réacteur est pourvu de conduits ((23), (43)) et d'appareils (compresseur (41), échangeur de chaleur ou refroidisseur (42), valves (39v)permettant, le renvoi à l'entrée du réacteur des produits gazeux, ainsi que des conduits et des containers d'accumulation (9', 23, 27) conçus et construits de manière à rassembler et renvoyer à l'entrée du réacteur et retraiter les produits solides non totalement conditionnés.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est conçu pour le traitement de poussières fines (S) emportées par un flux de gaz porteur (air) comme, par exemple, pour une application de brûleur assisté par plasma dans une chaudière de centrale électrique ou dans un réacteur de transformation de biomasse, dispositif pour lequel les angles a et β tels que définis dans la revendication 1 sont pratiquement égaux à 90° et que le plasmatron (1) est entouré d'un conduit coaxial (43) permettant de structurer le flux de plasma issu du plasmatron (1) et d'agencer son mélange avec le flux de gaz porteur (4) chargé des particules (5) ou tout flux de gaz nécessaire à la réalisation des réactions plasmochimiques dans le réacteur.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105430863A (zh) * 2016-01-15 2016-03-23 成都布雷德科技有限公司 一种基于滑动电弧放电原理的等离子发生器
WO2020188344A1 (fr) 2019-03-21 2020-09-24 Abenz 81-40 Dispositif et procede pour le traitement de matiere fractionnee par plasma a temperatures intermediaires
CN113181745A (zh) * 2021-05-27 2021-07-30 长江师范学院 一种船舶尾气处理方法
RU2779737C1 (ru) * 2019-03-21 2022-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "Нано Инвест" Устройство и способ для обработки фракционированного материала среднетемпературной плазмой
WO2022248981A1 (fr) 2021-05-23 2022-12-01 Abenz 81-40 Procédé pour le traitement de gaz et mélanges de gaz, par plasma à températures intermédiaires dit pit pttm, dispositif et utilisation.

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5778831B1 (ja) * 2014-03-31 2015-09-16 月島機械株式会社 被処理物の乾燥方法、および横型回転式乾燥機
JP5847350B1 (ja) * 2015-09-15 2016-01-20 月島機械株式会社 テレフタル酸の乾燥方法および横型回転式乾燥機
WO2017075686A1 (fr) * 2015-11-03 2017-05-11 Responsible Energy Inc. Système et appareil pour traiter un matériau afin de produire un gaz de synthèse dans une architecture modulaire
WO2017119326A1 (fr) * 2016-01-05 2017-07-13 株式会社Ｈｅｌｉｘ Générateur d'écoulement d'eau tourbillonnaire, dispositif de génération de plasma d'eau, dispositif de traitement de décomposition, véhicule comprenant un dispositif de traitement de décomposition, et procédé de traitement de décomposition
AT518754A2 (de) * 2016-06-13 2017-12-15 Gs Gruber-Schmidt Gmbh Vergasung biogener Stoffe in einem Doppelschneckenreaktor mit Hilfe von Mikrowellen Plasma
JP6944634B2 (ja) * 2017-03-31 2021-10-06 株式会社イーツーラボ プラズマ表面処理方法およびプラズマ表面処理装置
IT201800004367A1 (it) * 2018-04-10 2019-10-10 Procedimento per la produzione di combustibile da materiale contenente carbonio
CR20210252A (es) * 2018-11-16 2022-02-07 Plasma Water Solutions Llc Método y aparato para el tratamiento con plasma de líquidos en forma continua
CN113698964B (zh) * 2021-08-30 2022-09-02 佛山市骏鹰环境能源装备有限公司 一种器流床和生物质反应炉
JP7013062B1 (ja) * 2021-10-14 2022-01-31 株式会社クリエイティブコーティングス 粉体の成膜方法及び装置
WO2023155975A1 (fr) * 2022-02-15 2023-08-24 Universität Stuttgart Procédé et dispositif d'obtention de monoxyde de carbone à partir de dioxyde de carbone atmosphérique, faisant appel à un réacteur à plasma-solide

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1202563A (fr) 1958-09-15 1960-01-12 Perfectionnements aux moteurs électriques
US4489041A (en) * 1983-07-06 1984-12-18 Allied Corporation Non plugging falling film plasma reactor
US6355312B1 (en) * 1998-10-16 2002-03-12 Cottin Development, Inc. Methods and apparatus for subjecting a rod-like or thread-like material to a plasma treatment
US20090100752A1 (en) * 2004-06-26 2009-04-23 Sessa John P Device for converting carbonaceous matter into synthesis gas and associated methods
US7622693B2 (en) 2001-07-16 2009-11-24 Foret Plasma Labs, Llc Plasma whirl reactor apparatus and methods of use
WO2011119274A1 (fr) * 2010-03-25 2011-09-29 Drexel University Réacteur plasmatron à décharge de type arc glissant avec écoulement tourbillonnaire inversé pour la conversion des combustibles hydrocarbonés en gaz de synthèse
WO2011138525A1 (fr) 2010-05-05 2011-11-10 Pek 38-40 Procede et dispositif pour la generation d'un jet de plasma non- isothermique

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2872149B1 (fr) * 2004-06-28 2007-10-19 Physiques Sarl Et Chimiques Conversion plasma-catalytique de matieres carbonees

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1202563A (fr) 1958-09-15 1960-01-12 Perfectionnements aux moteurs électriques
US4489041A (en) * 1983-07-06 1984-12-18 Allied Corporation Non plugging falling film plasma reactor
US6355312B1 (en) * 1998-10-16 2002-03-12 Cottin Development, Inc. Methods and apparatus for subjecting a rod-like or thread-like material to a plasma treatment
US7622693B2 (en) 2001-07-16 2009-11-24 Foret Plasma Labs, Llc Plasma whirl reactor apparatus and methods of use
US20100044483A1 (en) * 2001-07-16 2010-02-25 Foret Plasma Labs, Llc Plasma whirl reactor apparatus and methods of use
US20090100752A1 (en) * 2004-06-26 2009-04-23 Sessa John P Device for converting carbonaceous matter into synthesis gas and associated methods
WO2011119274A1 (fr) * 2010-03-25 2011-09-29 Drexel University Réacteur plasmatron à décharge de type arc glissant avec écoulement tourbillonnaire inversé pour la conversion des combustibles hydrocarbonés en gaz de synthèse
WO2011138525A1 (fr) 2010-05-05 2011-11-10 Pek 38-40 Procede et dispositif pour la generation d'un jet de plasma non- isothermique

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B. SMIRNOV: "Plasma Processes and Plasma kinetics", 2007, WILEY - VCH VERLAG GMBH 2CO KGAA
BUROV I.S.; ERMOLAEVA E.M.; MOSSE A.L., MINSK ITMO, 1975, pages 71 - 78
KHACEF (A.; CORMIER (J.-M.; POUVESLE (J.-M., J. PHYS. D : APPI.PHYS., vol. 35, 2002, pages 1491 - 1498
ZHUKOVM.F., IZV.S.O.AN USSR, SER. TECHN.NAUK, vol. 2, no. 58, 1970, pages 12 - 18

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105430863A (zh) * 2016-01-15 2016-03-23 成都布雷德科技有限公司 一种基于滑动电弧放电原理的等离子发生器
WO2020188344A1 (fr) 2019-03-21 2020-09-24 Abenz 81-40 Dispositif et procede pour le traitement de matiere fractionnee par plasma a temperatures intermediaires
RU2779737C1 (ru) * 2019-03-21 2022-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "Нано Инвест" Устройство и способ для обработки фракционированного материала среднетемпературной плазмой
WO2022248981A1 (fr) 2021-05-23 2022-12-01 Abenz 81-40 Procédé pour le traitement de gaz et mélanges de gaz, par plasma à températures intermédiaires dit pit pttm, dispositif et utilisation.
CN113181745A (zh) * 2021-05-27 2021-07-30 长江师范学院 一种船舶尾气处理方法

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