Procédé de production d'électricité au moyen d'une tuyère magnétohydrodynamique Dans un cycle M.H.D. ouvert, le réchauffage de l'air comburant à très haute température, et la récupération de semences, entraînent des problèmes technologiques très difficiles à résoudre en raison des contraintes sévè res, thermiques, chimiques et mécaniques, auxquelles doivent résister simultanément les échangeurs.
En supposant même ces difficultés résolues, la limite de 20000 K que l'on choisit pour le réchauffage de l'air, du fait des propriétés des matériaux utilisables, impose à son tour une limitation du rendement global. Dans les dispositions connues, une suroxygénation du comburant élèverait les températures, mais entraînerait, en fait, une baisse sensible du rendement.
La titulaire a déjà proposé, dans le brevet français NI, 1401387, une disposition qui permet, tout en obte nant un rendement global élevé, de travailler à l'exté rieur de l'étage M.H.D. proprement dit, à des tempéra tures relativement basses. Dans cette disposition, une fraction des gaz sortant de l'étage M.H.D. est mélangée à un combustible qui alimente une chambre de combus tion auxiliaire servant au réchauffage du comburant et éventuellement du combustible.
On a trouvé, suivant la présente invention, qu'il était possible de travailler, en tous points extérieurs à l'étage M.H.D. proprement dit, à des températures n'excédant pas environ 1350 K, et d'obtenir un rendement encore amélioré, en alimentant la chambre de combustion de la tuyère M.H.D., d'une part, par le mélange, effectué dans un convertisseur chimique, d'un combustible et d'au moins une importante fraction des gaz issus de la tuyère M.H.D., et d'autre part, par un comburant suroxygéné.
La combinaison de ces deux dispositions a des effet importants. La suroxygénation, qui est utilisée ici, non pas pour agir sur les niveaux de températures> mais pour augmenter la quantité d'énergie récupérable par la tuyère M.H.D., évite ou réduit la dilution par l'azote dans cette tuyère, et permet ainsi une récupération facile et maxi- male de l'énergie thermique des gaz recyclés sans abais sement du rendement.
La suroxygénation, si elle est suf fisante, permet d'introduire, dans le convertisseur où s'ef fectue le mélange du combustible et des gaz sortant de la tuyère M.H.D., la quantité de gaz oxydants (CO2, H20) nécessaire pour obtenir à la fois la conversion de tout le combustible et les températures souhaitables de fonctionnement (vers 1350 K). La présence d'azote con duirait, au contraire, dans le convertisseur, soit à un excès de calories si l'on introduisait la quantité de gaz oxydants nécessaire au traitement de tout le combustible, soit à un défaut de gaz oxydants si l'on introduisait la quantité de gaz conduisant aux températures désirées.
Pour un combustible liquide, la conversion complète du carbone par un mélange de C02 et H20 (correspon dant par exemple à la combustion complète) conduit à l'absorption par kg de combustible d'environ 35000 Kcal, représentant la différence entre la chaleur de combus tion de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène formés et le pouvoir calorifique (environ 10 000 Kcal) du combus tible initial.
Cette énergie, stockée sous forme chimique, ne nécessite pas un transfert par échangeurs de chaleur et, moyennant certaines précautions, n'est pas effectuée par les traitements subis par le gaz support (refroidisse ment, lavage, absorption des gaz inertes, etc.).
De plus, la masse de gaz recyclés est diminuée pour une même quantité d'énergie contenue dans ceux-ci, énergie se trouvant alors principalement sous forme chimique.
Il en résulte une augmentation sensible du rendement global de la centrale à M.H.D., malgré la puissance absorbée par la suroxygénation.
En outre, les températures des gaz recyclés après mélange avec le combustible favorisent l'élimination d'une grande partie de la semence à l'état fondu, suivant des procédés connus, et le traitement du combustible en phase gazeuse par simple lavage permet aussi bien l'éli- mination finale de la semence que celle des composés sulfurés. de sorte que les gaz envoyés dans la tuyère M.H.D. sont dépourvus de ces derniers composés ; les problèmes de technologie rencontrés dans la construc tion des chambres de combustion. de la tuyère et de ses électrodes en sont simplifiés.
La partie des gaz issus de la tuyère M.H.D qui n'est éventuellement pas recyclée entre dans un cycle de pro duction de vapeur où elle peut être violemment refroi die. Il ne se pose pas, dans ce cycle, de problème de tenue de parois à très hautes températures.
En se référant aux figures schématiques ci-jointes. on va décrire des exemples, donnés à titre non limitatif, de mise en couvre de l'invention.
Les fig. 1, 2 et 3 représentent des schémas de diver ses variantes de l'invention, et la<U>fi .</U> 4 montre, en coupe et perspective, un mode de réalisation du convertisseur chimique.
Dans l'exemple de la fig. 1, une tuyère M.H.D 1 est alimentée par une chambre de combustion 2. et les gaz sortant de cette tuyère à environ 2400 K sont divisés en deux parcours 3 et 4. Les gaz suivant le parcours 3 pas sent dans un convertisseur chimique 5 où ils sont mélan gés à un combustible arrivant en 6.
L'énergie calorifique des gaz quittant la tuyère M.H.D. en 3 est utilisée pour favoriser des réactions endothermiques entre le combustible et ces gaz eux mêmes servant d'agents oxydants. Le gaz carbonique et la vapeur d'eau contenus dans ces gaz transforment les hydrocarbures du combustible en oxyde de carbone et hydrogène. avec absorption de chaleur. Dans cet appa reil. l'énergie calorifique des gaz issus en 3 de la tuyère M.H.D. à 2400, K environ. se retrouve, aux pertes par les parois près, intégralement dans les gaz de conversion, soit sous forme chimique, soit sous forme calorifique.
L'endothermicité des réactions de conversion entraîne l'absorption d'une quantité d'énergie égale à environ 35 % de l'énergie contenue dans le combustible frais introduit dans le convertisseur. Cette énergie pourra être recyclée sans nécessiter d'installation d'échangeurs, puis qu'elle a été obtenue directement par mélange.
La vitesse des gaz à la sortie de la tuyère M.H.D. peut être utilisée pour favoriser un mélange rapide des gaz oxydants et du combustible, en particulier en pro voquant un mouvement de rotation rapide de la masse gazeuse. A la température régnant dans le convertisseur 5, de 1200e K à 1350 K par exemple, la semence, vrai semblablement sous forme de carbonate. de sulfate ou de sulfure de potassium, se trouvera à l'état liquide et pourra donc être en grande partie récupérée directement par écoulement à la base de l'appareil en 7, suivant un procédé utilisé couramment dans l'industrie de la cellu lose. Sa séparation du courant gazeux sera également rendue plus facile par la vitesse de rotation imprimée à la masse gazeuse en réaction dans l'appareil.
Les gaz sortant en 8 du convertisseur 5, qui se com posent principalement d'oxyde de carbone, d'hydrogène et d'un excès de gaz carbonique et de vapeur d'eau, tra versent un récupérateur de chaleur 9 dans un passage 10 où leur température est abaissée à environ 500 K, puis passent dans une tour de lavage 11. Une régénéra tion extérieure de la lessive permet d'extraire en 12 le reste de semence en solution et en 13 le gaz carbonique et la vapeur d'eau absorbés au lavage. En 14 sort, à 300"K, le mélange d'oxyde de carbone et d'hydrogène qui sera utilisé comme combustible dans la chambre de combustion 2.
Les gaz suivant le parcours 4 passent dans un récu pérateur de chaleur 15 à travers un passage 16 et sortent en 17 dans une cheminée.
Le récupérateur 9 est utilisé au réchauffage à 900 K, dans les tubes 18 du comburant suroxygéné arrivant en 19 et alimentant en 20 la chambre de combustion 2. Le récupérateur 15 est utilisé au chauffage à l200 K ou 1300 K dans le passage 21, du combustible sortant en 14 de la tour de lavage 11, après compression en 22 en un étage ou en plusieurs étages, l'entraînement du com presseur ou des compresseurs, non représenté sur la figure. pouvant être assuré par des turbines à gaz action nées par les gaz propres lavés. Le combustible est intro duit en 23 dans la chambre 2.
Des tubes 24 et 25 appartenant respectivement aux récupérateurs 15 et 9 constituent des éléments d'une chaudière à vapeur d'eau alimentant une turbine 26 qui entraîne un alternateur 27. L'importance de la centrale classique à vapeur ainsi formée est très réduite.
La fi g. 2 montre une variante de la réalisation de la fig. 1, dans laquelle la totalité des gaz sortant de la tuyère M.H.D. 1 est envoyée dans le convertisseur 5, leur température étant préalablemnet abaissée à environ 2000 K dans un échangeur de chaleur 28 qui comporte des tubes de chaudière 29 pour une centrale à vapeur classique constituée par la turbine 26 et l'alternateur 27. Une portion des gaz peut toutefois être évacuée dans une cheminée 30, après refroidissement supplémentaire. Les récupérateurs 9 et 15 de la fig. 1 sont remplacés par un seul récupérateur 31 assurant le réchauffage à la fois du comburant et du combustible.
La fig. 3 montre une autre variante de la réalisation de la fig. 1, dans laquelle le refroidissement des gaz sor tant de la tuyère M.H.D. 1 est effectué en plusieurs éta ges. Les gaz suivant le parcours 4 traversent, successive ment une chaudière 32 dans un passage 33, un récupéra teur de chaleur 34 dans un passage 35 et une chaudière 36 dans un passage 37, avant d'être évacués en 17.
Les gaz suivant le parcours 3, qui représentent environ 80 0/0 des gaz sortant de la tuyère M.H.D. 1, se mélangent dans le convertisseur 5 au combustible arrivant en 6, et en sortent à l350 K pour parcourir ensuite successivement une chaudière 38 dans un passage 39 et des récupéra teurs de chaleur 40 et 41.
Le récupérateur 40 est utilisé au réchauffage à 1373 K, dans les tubes 42. du comburant faiblement suroxygéné arrivant en 19. Le gaz combustible sortant en 14 de la tour de lavage 11 est d'abord réchauffé len tement jusqu'à environ 9000K dans le passage 43 du récupérateur 40, puis rapidement jusqu'à 1373 K dans le passage 44 du récupérateur 34. La centrale classique à vapeur constituée par la turbine 26 entraînant l'alter nateur 27 est alimentée en vapeur par les tubes 45, 46 et 47 appartenant respectivement aux chaudières 38, 36 et 32.
La fig. 4 représente un exemple de convertisseur 5 en forme de cylindre à axe vertical. Les gaz oxydants issus de la tuyère M.H.D. entrent dans le convertisseur latéralement par la canalisation 48, à une grande vitesse, de l'ordre de 50 mètres par seconde, de préférence sui vant une direction tangentielle, de manière à prendre un mouvement de rotation rapide.
Le combustible, par exemple liquide, arrive par le conduit 49 ; il est distribué à des buses d'injection 50 réparties sur le pourtour du convertisseur et pulvérisé dans la zone de recirculation du u vortex de manière que les gouttelettes liquides de combustible subissent un échauffement, une évaporation, et éventuellement une décomposition partielle au con tact de gaz à température relativement modérée et dans une zone du convertisseur où les réactions de conversion sont encore peu rapides.
Ce n'est qu'à la fin de cette zone de recirculation que le combustible ainsi préparé subit l'attaque des gaz oxydants dans les meilleures con ditions de mélange (grâce aux grandes vitesses de circu lation), de température (puisque l'on se trouve alors au voisinage de l'entrée des gaz chauds) et d'oxydation (puisque les gaz entrants contiennent les teneurs les plus élevées en gaz carbonique et vapeur d'eau).
Le dosage du débit de gaz entrant en 48 et du débit de combustible arrivant en 49 permet de fixer de façon précise la température de la réaction par exemple entre 1000 et 11000 C, dans la chambre de réaction 51. Les réactions d'oxydation du carbone et les décompositions des molécules de combustible étant très endothermiques, la température des gaz oxydants s'abaisse très rapide ment, et le convertisseur se trouve pratiquement dans tout son volume à une température égale à la tempéra ture de sortie des gaz convertis. Ceux-ci sortent par l'ori fice central 52 situé à la partie inférieure du convertis seur.
Le mouvement de rotation rapide des gaz dans le convertisseur facilite la séparation des composés consti tuant les semences qui peuvent se trouver sous forme liquide dans le convertisseur (les températures de fusion du carbonate et du sulfure de potassium sont en effet inférieures à la température des gaz dans le convertis seur). L'évacuation des semences fondues non représen tée est effectuée à la base du convertisseur. La partie supérieure du convertisseur est refroidie par une chemise d'eau 53 limitée par une paroi métallique revêtue intérieurement d'un garnissage réfractaire mince 55, en alumine, d'une épaisseur de 50 mm par exemple.
La partie inférieure du convertisseur ne comporte pas de refroidissement ; l'enveloppe est formée par un gar nissage interne réfractaire 56 en alumine et isolant 57 en briques, à l'intérieur de la paroi métallique externe 58. Les deux parties du convertisseur sont reliées par des brides 59.
On a établi ci-dessous un tableau comparatif de la répartition des énergies relatives à 1 kg de combustible et évaluées en K calories, dans trois cas - cycle 1 : cycle direct, qui utiliserait comme combu rant un air faiblement suroxygéné (02 -h 3N) ré chauffé à 20000 K aux dépens des gaz issus de la tuyère M.H.D.; - cycle 2 : cycle à conversion chimique conforme à l'invention, avec utilisation d'un air faiblement oxy géné (02 -h 3N2) et réchauffage des gaz de con version et du comburant aux environs de 1373 K ;
- cycle 3 : cycle à conversion chimique, conforme à l'invention, avec utilisation d'oxygène à 95 % de pureté, réchauffé à 9000 K, et réchauffage des gaz de conversion aux environs de 13730 K.
On a supposé que la température des gaz à la sortie de la tuyère M.H.D. restait constante et égale à 24001, K. L'énergie dite récupérable dans la tuyère M.H.D. com prend à la fois la fraction transformée directement en électricité et l'énergie perdue par les parois. Cette der nière est, en fait, renvoyée à la centrale classique, et n'a pas été évaluée, mais on peut, en première approxima tion, la considérer comme ayant la même valeur dans les trois cas.
EMI0003.0015
Bilan <SEP> d'énergie <SEP> (Kcal) <SEP> Cycle <SEP> 1 <SEP> Cycle <SEP> 2 <SEP> Cycle <SEP> 3
<tb> - <SEP> Pouvoir <SEP> calorifique <SEP> du <SEP> combustible <SEP> (PCI) <SEP> . <SEP> .. <SEP> ....... <SEP> ..... <SEP> 9450 <SEP> 9450 <SEP> 9450
<tb> - <SEP> Energie <SEP> à <SEP> l'entrée <SEP> de <SEP> la <SEP> tuyère <SEP> MHD <SEP> ..<B>----------------------------</B> <SEP> 14980 <SEP> 17933 <SEP> <B>15175</B>
<tb> - <SEP> Energie <SEP> à <SEP> la <SEP> sortie <SEP> de <SEP> la <SEP> tuyère <SEP> MHD <SEP> (2400 <SEP> K) <SEP> .. <SEP> .... <SEP> 11830 <SEP> 14050 <SEP> 7950
<tb> - <SEP> Energie <SEP> récupérable <SEP> dans <SEP> la <SEP> tuyère <SEP> MHD <SEP> ... <SEP> ........... <SEP> 3150 <SEP> 3883 <SEP> 7225
<tb> - <SEP> Energie <SEP> récupérable <SEP> dans <SEP> la <SEP> centrale <SEP> classique <SEP> ....... <SEP> ....
<SEP> 6300 <SEP> <I>5567 <SEP> 2225</I>
<tb> - <SEP> Chaleur <SEP> de <SEP> préchauffage <SEP> du <SEP> comburant <SEP> <B>---------- <SEP> ------------</B> <SEP> 5530 <SEP> (20000 <SEP> K) <SEP> 3430 <SEP> (1100o <SEP> C) <SEP> 490 <SEP> (900- <SEP> K)
<tb> - <SEP> Chaleur <SEP> de <SEP> réchauffage <SEP> du <SEP> combustible <SEP> .... <SEP> <B>..........
<SEP> --------</B> <SEP> 0 <SEP> 1663 <SEP> (1100o <SEP> C) <SEP> 1848 <SEP> (1100o <SEP> C)
<tb> - <SEP> Energie <SEP> chimique <SEP> récupérée <SEP> <B>..........................................</B> <SEP> 0 <SEP> 3390 <SEP> 3390
<tb> - <SEP> Energie <SEP> totale <SEP> recyclée <SEP> ....<B>..........................................</B> <SEP> .<B>.............</B> <SEP> 5530 <SEP> 8483 <SEP> 5728
<tb> - <SEP> Energie <SEP> de <SEP> séparation <SEP> de <SEP> l'oxygène <SEP> <B>........</B> <SEP> ...<B>................</B> <SEP> ..
<SEP> 160 <SEP> 160 <SEP> 780
<tb> - <SEP> Débit <SEP> de <SEP> gaz <SEP> à <SEP> comprimer <SEP> (kg) <SEP> <B>----------</B> <SEP> .<B>-------- <SEP> ---------</B> <SEP> .<B>............</B> <SEP> 11,8 <SEP> 15,25 <SEP> 7,35 La combinaison de la conversion chimique, permet tant d'éliminer les échangeurs à haute température, et de la très forte suroxygénation donnant à la conversion sa pleine efficacité en ce qui concerne le rendement, conduit à la conception de centrales M.H.D./Vapeur économi quement rentables, grâce à l'élimination d'équipement coûteux et d'entretien difficile (échangeurs à très haute température) et à la réduction de la consommation de combustible.
On bénéficie de plus d'une diminution sen sible de la part prise par la centrale classique dont le prix pour les très grandes unités est sensiblement pro portionnel à la puissance, les installations M.H.D. étant au contraire économiquement favorisées par l'accroisse ment d'échelle.
Method of producing electricity by means of a magnetohydrodynamic nozzle In an M.H.D. open, the heating of the combustion air to very high temperature, and the recovery of seeds, lead to technological problems that are very difficult to solve because of the severe thermal, chemical and mechanical constraints which the exchangers must simultaneously withstand.
Even assuming these difficulties have been solved, the limit of 20,000 K which is chosen for the heating of the air, due to the properties of the materials which can be used, in turn imposes a limitation of the overall efficiency. In the known arrangements, superoxygenation of the oxidant would raise the temperatures, but would in fact lead to a significant drop in the yield.
The proprietor has already proposed, in French patent NI, 1401387, an arrangement which allows, while obtaining a high overall efficiency, to work outside the M.H.D. itself, at relatively low temperatures. In this arrangement, a fraction of the gases leaving the M.H.D. is mixed with a fuel which supplies an auxiliary combustion chamber serving to heat the oxidant and possibly the fuel.
It has been found, according to the present invention, that it is possible to work at all points outside the M.H.D. proper, at temperatures not exceeding about 1350 K, and to obtain a still improved efficiency, by feeding the combustion chamber of the MHD nozzle, on the one hand, by the mixture, carried out in a chemical converter, d 'a fuel and at least a large fraction of the gases from the MHD nozzle, and on the other hand, by a superoxygenated oxidizer.
The combination of these two provisions has important effects. Super-oxygenation, which is used here, not to act on the temperature levels> but to increase the quantity of energy recoverable by the MHD nozzle, avoids or reduces the dilution by nitrogen in this nozzle, and thus allows recovery easy and maximum thermal energy of the recycled gases without lowering the efficiency.
The super-oxygenation, if it is suf ficient, makes it possible to introduce into the converter where the mixture of the fuel and the gases leaving the MHD nozzle is carried out, the quantity of oxidizing gases (CO2, H20) necessary to obtain at the both the conversion of all fuel and the desirable operating temperatures (around 1350 K). The presence of nitrogen would lead, on the contrary, in the converter, either to an excess of calories if one introduced the quantity of oxidizing gas necessary for the treatment of all the fuel, or to a lack of oxidizing gases if one introduced. introduced the quantity of gas leading to the desired temperatures.
For a liquid fuel, the complete conversion of carbon by a mixture of C02 and H20 (corresponding for example to complete combustion) leads to the absorption per kg of fuel of about 35,000 Kcal, representing the difference between the fuel heat. tion of carbon monoxide and hydrogen formed and the calorific value (about 10,000 Kcal) of the initial fuel.
This energy, stored in chemical form, does not require transfer by heat exchangers and, with certain precautions, is not carried out by the treatments undergone by the support gas (cooling, washing, absorption of inert gases, etc.) .
In addition, the mass of recycled gases is reduced for the same amount of energy contained in them, energy then being mainly in chemical form.
This results in a significant increase in the overall efficiency of the power plant at M.H.D., despite the power absorbed by the oxygenation.
In addition, the temperatures of the recycled gases after mixing with the fuel favor the removal of a large part of the seed in the molten state, according to known methods, and the treatment of the fuel in the gas phase by simple washing also allows the final elimination of the seed than that of the sulfur compounds. so that the gases sent to the M.H.D. are devoid of the latter compounds; the technological problems encountered in the construction of the combustion chambers. of the nozzle and its electrodes are thereby simplified.
The part of the gases coming from the M.H.D nozzle which is possibly not recycled enters a steam production cycle where it can be violently cooled. In this cycle, there is no problem with the resistance of the walls at very high temperatures.
With reference to the attached schematic figures. Examples, given without limitation, of implementation of the invention will be described.
Figs. 1, 2 and 3 show diagrams of various variants of the invention, and <U> fi. </U> 4 shows, in section and perspective, an embodiment of the chemical converter.
In the example of FIG. 1, an MHD nozzle 1 is fed by a combustion chamber 2. and the gases leaving this nozzle at approximately 2400 K are divided into two paths 3 and 4. The gases following path 3 are not sent into a chemical converter 5 where they are mixed with a fuel arriving at 6.
The heat energy of the gases leaving the M.H.D. in 3 is used to promote endothermic reactions between the fuel and these gases themselves serving as oxidizing agents. The carbon dioxide and water vapor contained in these gases transform the hydrocarbons in the fuel into carbon monoxide and hydrogen. with heat absorption. In this device. the heat energy of the gases issuing from 3 of the M.H.D. at approximately 2400 K. is found, except for losses through the walls, entirely in the conversion gases, either in chemical form or in calorific form.
The endothermicity of the conversion reactions results in the absorption of an amount of energy equal to approximately 35% of the energy contained in the fresh fuel introduced into the converter. This energy can be recycled without requiring the installation of exchangers, since it has been obtained directly by mixing.
The speed of the gases at the outlet of the M.H.D. can be used to promote rapid mixing of oxidizing gases and fuel, in particular by causing rapid rotational movement of the gas mass. At the temperature prevailing in converter 5, from 1200 K to 1350 K for example, the seed, similarly true in the form of carbonate. sulphate or potassium sulphide, will be in the liquid state and can therefore be largely recovered directly by flow at the base of the device at 7, according to a process commonly used in the cellulose industry. Its separation from the gas stream will also be made easier by the speed of rotation imparted to the gaseous mass in reaction in the apparatus.
The gases exiting at 8 from converter 5, which consist mainly of carbon monoxide, hydrogen and an excess of carbon dioxide and water vapor, pass through a heat recovery unit 9 in a passage 10 where their temperature is lowered to about 500 K, then they pass through a washing tower 11. An external regeneration of the detergent makes it possible to extract in 12 the rest of the seed in solution and in 13 the carbon dioxide and water vapor absorbed. in washing. From 14 comes out, at 300 "K, the mixture of carbon monoxide and hydrogen which will be used as fuel in the combustion chamber 2.
The gases following the path 4 pass into a heat receiver 15 through a passage 16 and exit at 17 into a chimney.
The recuperator 9 is used for heating to 900 K, in the tubes 18 of the oxygenated oxidizer arriving at 19 and supplying the combustion chamber 2 with 20. The recuperator 15 is used for heating at 1200 K or 1300 K in passage 21, from fuel exiting at 14 from washing tower 11, after compression at 22 in one stage or in several stages, the drive of the compressor or compressors, not shown in the figure. which can be provided by gas turbines powered by the clean washed gases. The fuel is introduced at 23 into chamber 2.
Tubes 24 and 25 belonging respectively to recuperators 15 and 9 constitute elements of a steam boiler supplying a turbine 26 which drives an alternator 27. The importance of the conventional steam plant thus formed is very small.
The fi g. 2 shows a variant of the embodiment of FIG. 1, in which all of the gases leaving the M.H.D. 1 is sent to the converter 5, their temperature being previously lowered to about 2000 K in a heat exchanger 28 which comprises boiler tubes 29 for a conventional steam plant constituted by the turbine 26 and the alternator 27. A portion of the gas can however be discharged into a chimney 30, after additional cooling. The recuperators 9 and 15 of FIG. 1 are replaced by a single recuperator 31 ensuring the reheating of both the oxidizer and the fuel.
Fig. 3 shows another variant of the embodiment of FIG. 1, in which the cooling of the gases leaving the nozzle M.H.D. 1 is carried out in several stages. The gases following the path 4 pass successively through a boiler 32 in a passage 33, a heat recuperator 34 in a passage 35 and a boiler 36 in a passage 37, before being evacuated in 17.
The gases following path 3, which represent approximately 80% of the gases leaving the nozzle M.H.D. 1, mix in the converter 5 with the fuel arriving at 6, and exit at 1350 K to then successively pass through a boiler 38 in a passage 39 and heat recoverers 40 and 41.
The recuperator 40 is used for reheating at 1373 K, in the tubes 42 of the weakly oxygenated oxidizer arriving at 19. The combustible gas leaving at 14 from the washing tower 11 is first slowly reheated up to about 9000K in the tank. passage 43 of the recuperator 40, then rapidly up to 1373 K in the passage 44 of the recuperator 34. The conventional steam plant consisting of the turbine 26 driving the alternator 27 is supplied with steam by the tubes 45, 46 and 47 belonging to to boilers 38, 36 and 32 respectively.
Fig. 4 shows an example of a converter 5 in the form of a cylinder with a vertical axis. The oxidizing gases from the M.H.D. enter the converter laterally through line 48, at a high speed, of the order of 50 meters per second, preferably in a tangential direction, so as to take a rapid rotational movement.
The fuel, for example liquid, arrives through line 49; it is distributed to injection nozzles 50 distributed around the periphery of the converter and sprayed into the recirculation zone of the vortex so that the liquid fuel droplets undergo heating, evaporation, and possibly partial decomposition on contact with gas at relatively moderate temperature and in a zone of the converter where the conversion reactions are still not very rapid.
It is only at the end of this recirculation zone that the fuel thus prepared is attacked by the oxidizing gases under the best conditions of mixing (thanks to the high circulation speeds), of temperature (since the is then in the vicinity of the entry of hot gases) and oxidation (since the entering gases contain the highest contents of carbon dioxide and water vapor).
The metering of the gas flow rate entering at 48 and the fuel flow rate arriving at 49 makes it possible to precisely set the reaction temperature, for example between 1000 and 11000 ° C., in the reaction chamber 51. Carbon oxidation reactions and the decompositions of the fuel molecules being very endothermic, the temperature of the oxidizing gases drops very rapidly, and the converter is found practically throughout its volume at a temperature equal to the outlet temperature of the converted gases. These exit through the central opening 52 located at the lower part of the converter.
The rapid rotating movement of the gases in the converter facilitates the separation of the compounds constituting the seeds which may be found in liquid form in the converter (the melting temperatures of potassium carbonate and sulphide are in fact lower than the temperature of the gases. in the convert). The evacuation of the melted seeds not shown is carried out at the base of the converter. The upper part of the converter is cooled by a water jacket 53 limited by a metal wall coated internally with a thin refractory lining 55, made of alumina, with a thickness of 50 mm for example.
The lower part of the converter has no cooling; the casing is formed by a refractory internal lining 56 in alumina and insulating 57 in bricks, inside the outer metal wall 58. The two parts of the converter are connected by flanges 59.
A comparative table has been drawn up below of the distribution of the energies relating to 1 kg of fuel and evaluated in K calories, in three cases - cycle 1: direct cycle, which would use low oxygenated air (02 -h 3N) as fuel. ) reheated to 20,000 K at the expense of the gases from the MHD nozzle; - Cycle 2: chemical conversion cycle in accordance with the invention, with the use of a weakly oxygenated air (02 -h 3N2) and reheating of the conversion gases and of the oxidant to around 1373 K;
- Cycle 3: chemical conversion cycle, in accordance with the invention, using oxygen at 95% purity, reheated to 9000 K, and reheating of the conversion gases to around 13 730 K.
It was assumed that the temperature of the gases at the outlet of the M.H.D. remained constant and equal to 24001, K. The energy known as recoverable in the nozzle M.H.D. com takes both the fraction transformed directly into electricity and the energy lost by the walls. The latter is, in fact, referred to the classical power station, and has not been evaluated, but one can, as a first approximation, consider it to have the same value in all three cases.
EMI0003.0015
Energy balance <SEP> <SEP> (Kcal) <SEP> Cycle <SEP> 1 <SEP> Cycle <SEP> 2 <SEP> Cycle <SEP> 3
<tb> - <SEP> Calorific value <SEP> <SEP> of the <SEP> fuel <SEP> (PCI) <SEP>. <SEP> .. <SEP> ....... <SEP> ..... <SEP> 9450 <SEP> 9450 <SEP> 9450
<tb> - <SEP> Energy <SEP> at <SEP> input <SEP> of <SEP> the <SEP> nozzle <SEP> MHD <SEP> .. <B> -------- -------------------- </B> <SEP> 14980 <SEP> 17933 <SEP> <B> 15175 </B>
<tb> - <SEP> Energy <SEP> at <SEP> the <SEP> output <SEP> of <SEP> the <SEP> nozzle <SEP> MHD <SEP> (2400 <SEP> K) <SEP>. . <SEP> .... <SEP> 11830 <SEP> 14050 <SEP> 7950
<tb> - <SEP> Energy <SEP> recoverable <SEP> in <SEP> the <SEP> nozzle <SEP> MHD <SEP> ... <SEP> ........... <SEP > 3150 <SEP> 3883 <SEP> 7225
<tb> - <SEP> Energy <SEP> recoverable <SEP> in <SEP> the classic <SEP> <SEP> central <SEP> ....... <SEP> ....
<SEP> 6300 <SEP> <I> 5567 <SEP> 2225 </I>
<tb> - <SEP> Heat <SEP> of <SEP> preheating <SEP> of <SEP> oxidizer <SEP> <B> ---------- <SEP> ------- ----- </B> <SEP> 5530 <SEP> (20000 <SEP> K) <SEP> 3430 <SEP> (1100o <SEP> C) <SEP> 490 <SEP> (900- <SEP> K)
<tb> - <SEP> Heat <SEP> of <SEP> reheating <SEP> of <SEP> fuel <SEP> .... <SEP> <B> ..........
<SEP> -------- </B> <SEP> 0 <SEP> 1663 <SEP> (1100o <SEP> C) <SEP> 1848 <SEP> (1100o <SEP> C)
<tb> - <SEP> Chemical <SEP> energy <SEP> recovered <SEP> <B> ............................ .............. </B> <SEP> 0 <SEP> 3390 <SEP> 3390
<tb> - <SEP> Total <SEP> energy <SEP> recycled <SEP> .... <B> ........................ .................. </B> <SEP>. <B> ............. </B> <SEP> 5530 <SEP> 8483 <SEP> 5728
<tb> - <SEP> Energy <SEP> from <SEP> separation <SEP> from <SEP> oxygen <SEP> <B> ........ </B> <SEP> ... <B> ................ </B> <SEP> ..
<SEP> 160 <SEP> 160 <SEP> 780
<tb> - <SEP> Flow <SEP> from <SEP> gas <SEP> to <SEP> compress <SEP> (kg) <SEP> <B> ---------- </B> <SEP>. <B> -------- <SEP> --------- </B> <SEP>. <B> ............ </B> <SEP> 11.8 <SEP> 15.25 <SEP> 7.35 The combination of the chemical conversion allows both to eliminate the high temperature exchangers, and the very high oxygenation giving the conversion its full efficiency in terms of output, leads to the design of economically profitable MHD / Steam plants, thanks to the elimination of expensive equipment and difficult maintenance (very high temperature exchangers) and to the reduction of fuel consumption.
We also benefit from a noticeable reduction in the share taken by the conventional power station, the price of which for very large units is appreciably proportional to the power, M.H.D. on the contrary, being economically favored by the increase in scale.