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.