BE1020489A3 - Installation et procede de recuperation d'energie a l'aide de co2 supercritique. - Google Patents
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Description
INSTALLATION ET PROCEDE DE RECUPERATION D'ENERGIE À L'AIDE DE C02 SUPERCRITIQUE
Objet de l'invention
[0001] La présente invention se rapporte à un nouveau procédé pour récupérer de l'énergie perdue dans des installations industrielles fonctionnant à grande vitesse et de préférence en continu, et en particulier dans , ! Γ'industrie sidérurgique ou métallurgique.
[0002] L'invention se rapporte également à une installation pour la mise en œuvre du procédé.
Etat de la technique et position du problème
[0003] Dans l'industrie lourde, et particulièrement dans la sidérurgie, il existe de nombreuses sources de chaleur dont l'énergie est perdue. Les raisons principales en sont essentiellement : - la difficulté de transformer cette énergie de manière utilisable. C'est le cas notamment des sources à relativement basse température et des sources de grande surface ou réparties ; - le temps perdu pour récupérer cette énergie. Ceci nuirait à la productivité. C'est notamment le cas dans la production de masse où les échanges thermiques avec les produits chauds en vue d'en récupérer l'énergie introduiraient un retard trop long dans la cadence de production ; - le surcoût élevé de la récupération d'énergie, souvent lié aux faibles rendements que l'on peut en tirer. '
[0004] A l'heure actuelle, dans l'industrie sidérurgique, lorsqu'une bobine (ou « coil ») est laminée à chaud (bobinée -à 600-650°C) , elle doit être refroidie aux environs de 100°C avant d'être laminée à froid. Ces bobines sont donc stockées sur parc, plus rarement dans des piscines, afin de les refroidir. La chaleur ainsi dissipée est perdue dans tous les cas.
[0005] Or, la quantité d'énergie qui est ainsi dépensée est énorme. Ainsi, pour une usine produisant 5 x 106 tonnes d'acier par an, on pourrait récupérer plus de 300 x 106 kWh/an. En comptant sur un rendement de 16% pour la transformation en électricité, cela correspond à 10 éoliennes de 2 MW (avec un rendement d'utilisation de 25%), ce qui permettrait d'alimenter 40 000 personnes en électricité.
Buts de 11 invention
[0006] La présente invention vise à s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.
[0007] En particulier, l'invention a pour but de proposer un moyen de récupération d'énergie à partir de produits chauds, de préférence fabriqués en continu ou du moins à haute cadence, sans augmenter exagérément les délais de production et en permettant ..une récupération efficace.
[0008] L' invention vise plus particulièrement à fournir un procédé destiné à récupérer la chaleur des bobines à chaud et des brames dans l'industrie sidérurgique.
Principaux éléments caractéristiques de 11 invention
[0009] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à une installation pour la récupération d'énergie perdue dans une ligne industrielle à haute cadence produisant des pièces portées à haute température devant ensuite être traitées à basse température, comprenant des compartiments sous pression et étanches, où sont déposées lesdites pièces portées à haute température et refroidies jusqu'à ladite basse température, chaque compartiment sous pression et étanche étant alimenté par un circuit fermé de refroidissement contenant un fluide supercritique. L'installation comprend aussi un système de récupération de chaleur. Le fluide supercritique est avantageusement du C02 supercritique. Les pièces à refroidir sont de préférence des bobines ou des brames . produites dans l'industrie métallurgique ou sidérurgique à chaud.
[0010] Selon des modes d'exécùtion préférés de l'invention, l'installation comporte en outre une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes : - le. circuit fermé de refroidissement contient le système de récupération de chaleur - l'installation comprend un circuit où se trouve le système de récupération de chaleur, isolé du circuit de refroidissement, via un échangeur de chaleur assurant le transfert de l'énergie récupérée dans le circuit de refroidissement vers le système de récupération de chaleur ; - le système de récupération de chaleur est associé à des moyens de production d'électricité ; - chaque compartiment comprend des moyens d'entrée du fluide supercritique froid, des moyens de répartition du fluide au niveau de la ou des pièces à refroidir, un caisson étanche proprement dit pouvant contenir la ou les pièces à refroidir, des moyens de récupération du fluide et autres gaz et des moyens de sortie du fluide supercritique chaud et autres gaz du compartiment ; - le caisson étanche est amovible ou possède un couvercle, pour permettre l'insertion et le retrait de la ou des pièces à refroidir ; - chaque compartiment est connecté à une' pluralité de canalisations en parallèle contenant chacune le fluide supercritique dans une certaine gamme de températures, les températures étant croissantes d'une canalisation à l'autre, depuis la température d'entrée du fluide à . l'entrée jusqu'à sa température à la sortie, un système de vannes permettant de modifier les connexions entre chaque compartiment et les canalisations, de manière telle que la ou pièces à refroidir passent d'une gamme de température à l'autre progressivement, dans le sens décroissant, depuis une température initiale jusqu'à une température finale, inférieure à la température initiale ; - chaque compartiment est conçp pour que de l'air introduit en même temps qu'une pièce à refroidir dans un compartiment soit chassé sous la pression du fluide supercritique dans les canalisations et évacué par une sortie.
[0011] Un deuxième aspect de la présente invention concerne un procédé pour récupérer l'énergie perdue dans une ligne industrielle à haute cadence produisant des pièces portées à haute température devant ensuite être traitées à basse température, en utilisant l'installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on refroidit lesdites pièces portées à une température supérieure à 600°C dans le cas de bobines, respectivement 1200°C dans le cas de brames, jusqu'à une température inférieure à 150°C, respectivement 800°C, pendant une durée inférieure à 30 secondes, respectivement 6 minutes, en plaçant lesdites pièces dans les compartiments précités.
[0012] Avantageusement, le C02 supercritique est mélangé avec de l'hydrogène, la récupération d'énergie précitée étant combinée avec un décapage et un nettoyage desdites pièces sans acide ou avec une quantité réduite d'acide.
Brève description des figures
[0013] La figure 1 représente schématiquement un premier circuit, pour le refroidissement de bobines de bandes d'acier laminées à chaud selon la présente invention, destiné à être associé à un second circuit, pour la récupération de chaleur et la production d'électricité selon l'état de la technique, dans une installation complète- de récupération de la chaleur de ces bobines dans le processus de production.
[0014] La figure 2 représente schématiquement deux formes d'exécution possibles pour le second circuit précité.
[0015] La figure 3 représente le détail d'un compartiment utilisé pour le refroidissement des bobines selon la présente invention.
Description de formes d’exécution préférées de l'invention
[0016] Le principe de l'invention repose sur l'utilisation de dioxyde de carbone (CO2) sous forme supercritique. Il est connu que le C02 à l'état, supercritique est dans un état intermédiaire entre le liquide et le gaz, possède une viscosité proche de celle du gaz, 10 fois inférieure à celle du liquide, et surtout un coefficient d'échange thermique très élevé (entre 1 et 10 kW/m2.K), ce qui garantit un refroidissement rapide. D'autre part, contrairement au cas des liquides, lorsque le C02 supercritique est mis en contact avec un corps plus chaud, il ne se forme pas de couche de caléfaction qui réduirait le coefficient d'échange. Un autre avantage propre au CO2 est que les conditions supercritiques sont obtenues pour des températures et' des pressions assez basses (31.1°C, 73.8 bar). Il est donc assez facile d'atteindre la pression critique et la température faible garantit un meilleur rendement dans les échanges thermiques. Enfin, le CO2 supercritique n'est pas corrosif et présente des propriétés intéressantes en utilisation comme solvant. Il est donc possible de l'utiliser pour combiner un nettoyage des surfaces avec la récupération de chaleur.
[0017] La récupération de chaleur selon un mode d'exécution particulier de l'invention est illustrée ci-après par l'exemple du refroidissement des bobines à chaud produites dans l'industrie sidérurgique (figure 1).
[0018] Le procédé selon l'invention consiste à placer les bobines (ou « coils ») résultant du bobinage de bandes d'acier à la' sortie du laminoir à chaud dans une enceinte (ou un compartiment) sous pression dans laquelle est injecté du CO2. En choisissant judicieusement la quantité injectée, l'augmentation de température va transformer le gaz en fluide supercritique, dont la diffusivité accrue devrait lui permettre de s'infiltrer entre les spires de la bobine et de la refroidir à grande vitesse. Un calcul approximatif montre qu'une bobine de 24 tonnes (épaisseur de bande : 3 mm) initialement portée à 640 °C pourrait voir sa température descendre à moins de 150°C en moins de 30 secondes. Sachant qu'en général, une bobine est produite toutes les 6 minutes, il est possible de soutenir la cadence de production en utilisant un circuit de refroidissement à contre-courant de la production, entre plusieurs enceintes ou compartiments sous pression qui permettent de traiter plusieurs bobines plus ou moins simultanément. L'accroissement de pression et de température peut alors être mis à profit, moyennant l'utilisation d'un échangeur, pour générer de l'électricité ou fournir une énergie utile sous une autre forme.
[0019] La figure 1 montre un exemple de circuit de refroidissement selon l'invention. Il s'agit d'un circuit continu contenant du C02 supercritique (P > 74 bar et T > 31°C) qui permet d'alimenter différents compartiments ou caissons 4,4',4 », etc. contenant des bobines chaudes 3 par exemple de température croissante, du premier au dernier compartiment, de gauche à droite sur la figure, c'est-à-dire refroidies « à contre-courant » de l'arrivée de fluide froid 7. A « contre-courant >> signifie que le fluide supercritique se réchauffe progressivement en entrant en contact avec des bobines de plus en plus chaudes. Comme représenté sur la figure 1, chaque compartiment 4 peut avantageusement être connecté par des vannes à une série de tuyaux ou canalisations 5 eux-mêmes connectables en parallèle, selon toutes les combinaisons possibles. Chacun de ces tuyaux 5 correspond à une certaine gamme de température de C02, par ex. allant de 50 à 550°C, la température augmentant par pas ΔΤ = 500/Nstep, où Nstep est le nombre de tuyaux (voir figure 1). Au fur et à mesure qu'une bobine donnée se refroidit le système de pilotage des vannes (non représenté) change les connexions afin de connecter le système de tuyauterie adéquat à chaque bobiné dans la file. Comme les bobines ne peuvent pas être déplacées facilement, une fois enfermées dans un caisson, le système de conduites et vannes précité est utilisé avec souplesse pour que le fluide ait un écart de température avec la bobine le plus faible possible, ce qui conduira au meilleur rendement thermique. Afin que le fluide puisse avoir un débit constant, il est nécessaire d'avoir plus de caissons à bobines qu'il n'y a d'étapes intermédiaires et certains caissons sont mis en parallèle. Chaque intervalle de température de conduite peut être considéré comme une étape.
[0020] Ceci est valable pour l'ensemble des caissons du système, à l'exception du caisson entrant, qui contient de l'air et du caisson sortant, qui contient le C02 supercritique à « basse température ». En effet, on connecte alors avantageusement le caisson 4 qui contient la bobine la plus froide et le C02 supercritique à haute pression, par un ensemble de tuyaux 5, en parallèle avec le caisson 4(n) contenant la bobine la plus chaude (c'est-à- t dire qui vient d'être mise dans un compartiment) et fatalement de l'air. La pression du C02 supercriti’^ue est alors utilisée pour chasser l'air qui sera évacué par une sortie 6. Cette opération permet de purger le C02, c'est-à-dire, d' obtenir un caisson contenant une bobine chaude et du C02, sans entrée d'air dans le système. Elle permet aussi de diminuer la consommation de C02 comprimé (diminution de la quantité de matière consommée, ainsi que de l'énergie de compression).
[0021] Selon l'invention, la chaleur récupérée par le circuit de C02 supercritique 1 est alors transférée à un circuit de récupération de chaleur 2, en particulier pour la production d'électricité, tel que représenté par exemple à la figure 2. Il peut s'agir par exemple d'un système de turbine à gaz fonctionnant selon le cycle supercritique de Rankine ou de Brayton.
[0022] Le C02 supercritique à la sortie 8 après le dernier compartiment 4 du circuit 1 est à haute température. Selon une première forme d'exécution, ce fluide supercritique chaud peut être utilisé pour produire de l'électricité en passant directement à travers une turbine 9 puis un refroidisseur 10 (figure 2a) . Selon une deuxième forme d'exécution, cela peut aussi se faire en passant dans un échangeur thermique 11 qui transférera la chaleur à un système conventionnel turbine 9 - condenseur 12 - générateur de vapeur, l'échangeur thermique 11 faisant avantageusement office de générateur de vapeur (figure 2b). Le fluide supercritique qui a cédé ses calories retourne alors en circuit fermé vers les compartiments de refroidissement 4 du circuit de CO2 supercritique 1, via l'entrée 7.
[0023] Un exemple de compartiment 4 est montré à la figure 3. Chaque compartiment 4 est composé d'une arrivée de CO2 supercritique « froid » 41 (à température Tn-i) , d'un système de répartition des gaz 42 sur la bobine, de préférence en couronne, afin que le CO2 puisse diffuser dans la bobine par sa tranche, entre les feuillards, du caisson proprement dit contenant la bobine 43, d'un système de récupération des gaz 44 et enfin d'une sortie de CO2 supercritique « chaud » 45 (à température Tn telle que Tn > Tn-i) . Pour des raisons de résistance mécanique, les tuyaux dans lesquels le CO2 supercritique transite devront être fixes, de ce fait, l'entrée et la sortie ne seront pas mobiles. Le caisson 43 du compartiment est donc avantageusement mobile afin d'effectuer les changements de bobine. Il peut aussi être pourvu d'un couvercle pivotant ou non, permettant d'insérer et de retirer la bobine, avec une fermeture· étanche.
[0024] Toujours dans la sidérurgie, le procédé peut, également trouver application au refroidissement des brames dont la température plus élevée que celle des bobines permettrait un rendement encore supérieur. Des calculs ont montré qu'un refroidissement de brames de 56 tonnes de 1200 à 800 °C peut être obtenu en 6 minutes, avec une récupération d'énergie de 10.000 MJ. L'inconvénient est que l'épaisseur du produit augmente le temps de refroidissement. Cependant, les vitesses restent compatibles avec la production, surtout dans le cas où les demi-produits sont destinés à 1'exportation et restent alors plusieurs jours sur parc.
[0025] Enfin, comme le C02 supercritique est miscible avec 1'hydrogène, une combinaison des deux fluides peut permettre d'associer la récupération d'énergie avec un décapage et un nettoyage des produits, ce qui permet d'éliminer, ou en tous cas fortement réduire, les acides utilisés dans ce but ainsi que les problèmes de traitement d'effluents qui y sont liés.
[0026] Il semble, suite à l'examen des brevets existants, que le C02 .supercritique n'ait jamais été proposé pour de la récupération d'énergie. Par contre, il existe des applications où il est utilisé comme, fluide caloporteur dans des circuits de production d'électricité et des applications ont été envisagées (mais sans doute pas réalisées) pour le refroidissement de moteurs ou pour des climatisations de voitures.
[0027] Pour des raisons de sécurité, il peut être envisagé de placer, les enceintes sous pression de C02 en sous-sol des installations industrielles. En cas de fuite le C02 étant plus lourd que l'air, il resterait alors confiné suffisamment longtemps pour prendre les mesures qui s'imposent.
Symboles de référence 1. circuit fermé de C02 supercritique 2. circuit de récupération de chaleur 3. bobine 4,4',4'',... ref roidisseur de bobine (plusieurs compartiments) 5. tuyaux de refroidissement en parallèle 6. évacuation d'air 7. entrée de fluide supercritique dans le refroidisseur 8. sortie de fluide supercritique du refroidisseur 9. turbine 10. refroidisseur . 11. échangeur , 12. condenseur 41. arrivée de fluide supercritique froid dans le compartiment 42. système de répartition des gaz 43. caisson contenant la bobine à refroidir 44. système de récupération des gaz 45. sortie de fluide supercritique chaud
Claims (12)
1. Installation pour la récupération d'énergie perdue dans une ligne industrielle ' à haute cadence produisant des pièces (3) portées à haute température devant ensuite être traitées à basse température, comprenant des compartiments ou caissons sous pression et étanches (4,4', 4'', ...) , où sont déposées lesdites pièces (3) portées à haute température et refroidies jusqu'à ladite basse température, chaque compartiment sous pression et étanche (4,4', 4'', ...) étant alimenté par un circuit fermé de refroidissement (1) contenant un fluide supercritique, l'installation comprenant aussi un système de récupération de chaleur (2) . - >'
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit fermé de refroidissement (1) contient le système de récupération de chaleur (2).
3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un circuit où se trouve le système de récupération de chaleur (2), isolé du circuit de refroidissement (1) , via un échangeur de chaleur (11) assurant le transfert de l'énergie récupérée dans le circuit de refroidissement (1) vers le système de récupération de chaleur (2).
4. Installation selon la revendication 1, caractérisée . en ce que le système de récupération de chaleur (2) est associé à des moyens de production d'électricité.
5. Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque compartiment (4,4',4'', ...) comprend des moyens d'entrée (41) du fluide supercritique froid, des moyens de répartition du fluide (42) au niveau de la ou des pièces à refroidir (3) , un caisson étanche proprement dit (43) pouvant contenir la ou les pièces à refroidir (3), des moyens de récupération du fluide et autres gaz (44) et des moyens de sortie (45) du fluide supercritique chaud et autres gaz du compartiment (4,4', 4", ...) .
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le caisson étanche (43) est amovible ou possède un couvercle, pour permettre l'insertion et le retrait de la ou des pièces (3) à refroidir.
7. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque compartiment (4,4', 4'', ...) est connecté à une pluralité- de canalisations en parallèle (5) contenant chacune le fluide supercritique dans une certaine gamme de températures, les températures étant croissantes d'une canalisation à l'autre, depuis la température d'entrée du fluidë à l'entrée (7) jusqu'à sa température à la sortie (8) , un système de vannes permettant de modifier les connexions entre chaque compartiment (4,4',4'', ...) et les canalisations (5), de manière telle que la ou pièces à refroidir passent d'une gamme de température à l'autre progressivement, dans le sens décroissant, depuis une température initiale jusqu'à une température finale, inférieure à la température initiale.
8. Installation selon la revendication 7,. caractérisée en ce que chaque compartiment (4,4', 4'', ...) est conçu pour que dé l'air introduit en même temps qu'une pièce à refroidir (3) dans un compartiment (4,4', 4'', ...) en soit chassé sous la pression du fluide supercritique dans les canalisations et évacué par une sortie (6).
9. Procédé pour récupérer l'énergie perdue dans une ligne industrielle à haute cadence produisant des pièces (3) portées à haute température devant ensuite être traitées à basse température, en utilisant l'installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on refroidit lesdites pièces (3) portées à une température supérieure à 600°C, respectivement 1200°C, jusqu'à une température inférieure à 150°C, respectivement 800°C, pendant une durée inférieure à 30 secondes, respectivement 6 minutes, en plaçant lesdites pièces (3) dans les compartiments précités (4).
10. Procédé’ selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fluide supercritique est du CO2 supercritique.
11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites pièces à refroidir (3) sont des bobines, respectivement des brames,. produites dans l'industrie métallurgique ou sidérurgique à chaud.
12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le CO2 supercritique est mélangé aVec de l'hydrogène, la récupération d'énergie précitée étant combinée avec un décapage et un nettoyage desdites pièces (3) sans acide ou avec une quantité réduite d'acide.
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2013
- 2013-01-30 WO PCT/EP2013/051716 patent/WO2013113714A1/fr not_active Ceased
Patent Citations (5)
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Also Published As
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