FR2488751A1 - Procede pour produire de l'electricite avec un gazeifieur de charbon endothermique et un generateur magnetohydrodynamique - Google Patents

Abstract

UN PROCEDE POUR PRODUIRE DE L'ENERGIE ELECTRIQUE CONSISTE A CHAUFFER DANS UN GAZEIFIEUR 55 UNE MATIERE CARBONEE 57 ET DE L'EAU 56 POUR AMORCER ET ENTRETENIR LA REACTION ENDOTHERMIQUE DU CARBONE ET DE L'EAU ET PRODUIRE UN COURANT GAZEIFIE 61 CONTENANT DU MONOXYDE DE CARBONE, DE L'HYDROGENE ET DE L'AZOTE, INTRODUIRE DANS UN BRULEUR 80 LE COURANT GAZEIFIE 61, UNE MATIERE IONISANTE D'ENSEMENCEMENT 86 ET DE L'AIR SOUS PRESSION 101 POUR PRODUIRE DES GAZ DE COMBUSTION IONISES 89 A UNE TEMPERATURE D'ENVIRON 2760 A ENVIRON 3315C QUE L'ON ACCELERE A ENVIRON 1000MS ET QU'ON FAIT PASSER A TRAVERS UN GENERATEUR MHD 110 POUR PRODUIRE DU COURANT CONTINU 119 PUIS A TRAVERS UN DIFFUSEUR 130 POUR EN REDUIRE LA VITESSE, LES GAZ RALENTIS ETANT INTRODUITS DANS UN BRULEUR COMPLEMENTAIRE 140 PUIS ECHANGEANT DE LA CHALEUR AVEC LA GAZEIFIEUR 55 ET AVEC LE PRECHAUFFEUR D'AIR 100; L'ENERGIE DU BRULEUR COMPLEMENTAIRE PEUT EGALEMENT ETRE UTILISEE DANS D'AUTRES PARTIES DU SYSTEME.

Description

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La présente invention concerne un procédé pour produire de l'électricité avec un gazéifieur de charbon endothermique et un

générateur magnétohydrodynamique.

Le développement du générateur magnétohydrodynamique (MHD) a été considéré comme important par suite de divers avantages. Ces avantages sont entre autres un faible coût d'investissement, un

meilleur rendement de la conversion de la chaleur en énergie élec-

trique et un démarrage rapide. Le développement du générateur NHD a

été gêné par divers problèmes, en particulier dans le cas de la com-

bustion du charbon. Parmi ces problèmes figurent l'effet des cendres

sur l'appareillage opératoire, l'élimination des cendres et la sépa-

ration des cendres ou du mâchefer de la matière d'ensemencement. Les faibles températures de combustion qui nécessitent le préchauffage

de l'air alimentant le brûleur et le faible rendement magnétohydrody-

namique global dû à la forte teneur énergétique des gaz effluents du

générateur MHD posent des problèmes additionnels.

De façon générale, les générateurs MHD produisent de l'énergie électrique grSce au mouvement d'un fluide conducteur de l'électricité par rapport à un champ magnétique. Le fluide utilisé est généralement un gaz conducteur de l'électricité provenant d'une source à température élevée et à pression élevée. A partir de la source, le fluide s'écoule à travers le générateur et, en raison de

son mouvement par rapport au champ magnétique, induit une force élec-

tromotrice entre les électrodes opposées du générateur. Le gaz peut être évacué pour être rejeté par exemple simplement dans l'atmosphère ou, dans un système plus élaboré, le gaz peut être évacué dans un

système de récupération comportant un mécanisme de pompage pour ren-

voyer le gaz à la source.

On peut utiliser de nombreux gaz différents; le gaz peut être constitué de produits de combustion ou de gaz inertes tels que de l'hélium ou de l'argon. Dans les systèmes ouverts tels que ceux dans lesquels on ne recycle pas les gaz après passage à travers l'unité génératrice, on utilise normalement des produits de combustion. Dans les systèmes fermés o on recycle les gaz, on peut utiliser des gaz relativement coûteux tels que l'hélium et l'argon. Pour améliorer la conductivité électrique, on chauffe les gaz à une température élevée

on accroît également la conductivité par addition aux gaz d'une subs-

tance qui s'ionise facilement aux températures de fonctionnement du générateur. Quel-que soit le gaz utilisé, il est constitué d'un mélange d'électrons, d'ions positifs et d'atomes neutres que pour simplifier on appelle généralement "plasma". La température du plasma a une très grande importance non seulement sur le rendement global du système mais également sur la structure du générateur MMD. Lorsqu'on dispose d'une température plus élevée à l'entrée du générateur, on peut produire une chute isentropique plus importante lorsque le plasma augmente de volume

dans le générateur ce qui améliore le rendement de l'installation.

Comme la conductivité électrique du plasma s'accroit lorsque la tem-

pérature augmente, on peut produire une quantité donnée d'énergie

dans un générateur relativement plus petit et utiliser un champ magné-

tique plus petit qu'on ne le pourrait sinon. L'accroissement du ren-

dement du système MMD, qui est considérablement supérieur à celui des installations à turbine à vapeur classiques, associé à l'absence de parties mobiles chaudes dans le générateur permet de penser que dans l'avenir les centrales MHD remplaceront ou supplanteront dans une

grande mesure les systèmes classiques de production d'énergie.

Certains des problèmes chroniques des systèmes MHD, même après les progrès importants des dernières années sont la perte de gaz chaud par le générateur NHD et la nécessité de préchauffer l'air pour qu'on obtienne les températures élevées nécessaires à

l'entrée du générateur et pour projeter le combustible en particu-

lier lorsqu'on utilise du charbon. Parmi la littérature concernant

les systèmes MHD de production d'énergie figure le brevet des Etats-

Unis d'Amérique n0 3 414 774 qui décrit l'emploi d'un générateur MiD

utilisant comme caloporteur le NaK d'un réacteur nucléaire.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 531 665 décrit un mécanisme pour préchauffer du charbon pulvérisé avec un gaz de

dégagement MHD.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 720 850 montre le recyclage des gaz de dégagement MH1 du côté d'entrée du générateur MHD.

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Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 873 845 décrit un procédé et un système pour gazéifier du poussier avec de l'air chauffé à l 5001C, le gaz de combustion étant refroidi à 1500C pour obtenir ainsi de la vapeur d'eau haute pression pour produire de l'électricité. Le brevet des Etats- Unis d'Amérique n0 3 895 243 décrit un procédé pour utiliser la chaleur résiduaire d'un générateur MHD à combustible fossile pour chauffer un générateur MîD liquide-métal. On préchauffe l'air par échange de chaleur avec les parois de la chambre

de combustion du générateur MHD.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 064 222 décrit

un gazéifieur de charbon utilisant du charbon et de l'oxygène pour pro-

duire un gaz de dégagement qu'on brûle avec de l'air et dont on ali-

mente un générateur MED après quoi on effectue une détente adiabatique

pour fixer les oxydes d'azote.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 107 557 décrit un générateur MHD à cycle fermé utilisant du soufre et de l'oxygène

pour produire une température de flamme supérieure à 4 4000C au géné-

rateur MHD.

L'invention concerne un procédé pour produire de l'éner-

gie électrique dans lequel on utilise l'effluent MID pour accroître

le rendement du système.

Un objectif important de l'invention est un procédé pour produire de l'énergie électrique qui consiste à introduire une matière carbonée et de l'eau dans un gazéifieur, amorcer et entretenir

la réaction endothermique du carbone et de l'eau pour produire un cou-

rant gazéifié contenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, faire passer le courant gazéifié et une matière ionisante d'ensemencement dans un brûleur et y mettre le courant gazéifié en contact avec de l'air ambiant ou enrichi préchauffé pour brûler le courant gazéifié et produire un gaz de combustion ionisé ayant une

température supérieure à environ 1 9800C, accélérer le gaz de combus-

tion ionisé à une vitesse supérieure à environ 400 m/s, faire passer le gaz de combustion ionisé accéléré à travers un générateur MID pour produire de l'énergie sous forme de courant électrique continu puis à travers un diffuseur pour réduire la vitesse du gaz et faire Ir

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passer le gaz du diffuseur en échange de chaleur avec le gazéifieur pour fournir de la chaleur pour entretenir la réaction endothermique

du carbone et de l'eau. -

L'invention a également pour objectif un procédé pour produire de l'énergie électrique qui consiste à introduire une matière carbonée et de l'eau dans un gazéifieur, chauffer le mélange de matière carbonée et d'eau pour amorcer et entretenir la réaction endothermique du carbone et de l'eau et produire ainsi un courant gazéifié contenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, faire passer le courant gazéifié et une matière ionisante d'ensemencement ainsi que

l'air d'un-préchauffeur dans un brûleur pour brûler le courant gazéi-

fié et produire ainsi un gaz de combustion ionisé ayant une tempéra-

ture supérieure à environ 1 9800C, accélérer le gaz de combustion ionisé à une vitesse supérieure à environ 400 m/s, faire passer le gaz de combustion ionisé accéléré à travers un générateur MMD pour produire de l'énergie sous forme de courant électrique continu puis à travers un diffuseur pour réduire la vitesse du gaz, faire passer le gaz du diffuseur dans un brûleur complémentaire pour le br6ler et faire passer le gaz du brûleur complémentaire en échange de chaleur

avec le gazéifieur, pour fournir de la chaleur pour entretenir la réac-

tion endothermique du carbone et de l'eau, et avec le préchauffeur

pour préchauffer l'air avant la combustion avec le courant gazéifié.

L'invention a également pour objectif un procédé pour produire de l'énergie électrique qui consiste à introduire du charbon et de l'eau dans un gazéifieur, chauffer le mélange de charbon et d'eau pour amorcer et entretenir la réaction endothermique du charbon et de l'eau et produire un courant gazéifié contenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, utiliser un compresseur pour comprimer

l'air et un préchauffeur pour préchauffer l'air, faire passer le cou-

rant gazéifié et une matière ionisante d'ensemencement avec de l'air préchauffé comprimé ayant une température d'au plus environ 1 650'C

et une pression d'au plus environ 10,3 bars dans un brûleur pour brû-

ler le courant gazéifié et produire ainsi un gaz de combustion ionisé ayant une température comprise entre environ 1 980 et environ 3 315'C, accélérer le gaz de combustion ionisé à une vitesse comprise entre

environ 400 m/s et environ 1 100 m/s, faire passer le gaz de combus-

tion ionisé accéléré à travers un générateur MHD pour produire de l'énergie sous forme de courant électrique continu puis à travers un

diffuseur pour réduire la vitesse du gaz, faire passer le gaz du dif-

fuseur dans un brûleur complémentaire pour le brOler et faire passer le gaz du brûleur complémentaire en échange de chaleur avec le gazéi-

fieur pour fournir de la chaleur pour entretenir la réaction endother-

mique entre le carbone et l'eau et en échange de chaleur avec le pré-

chauffeur pour fournir de-la chaleur pour préchauffer l'air et extraire l'énergie du gaz du brûleur complémentaire pour alimenter en énergie

le compresseur.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de

plusieurs exemples de réalisation et en se référant à la figure unique annexée qui est un diagramme d'un système pour la mise en pratique

du procédé de l'invention.

La figure illustre un système 50 qui comprend un gazéi-

fieur 55 à vapeur auquel sont raccordées une entrée d'eau 56 et une entrée de combustible 57. Le combustible dont en envisage l'emploi avec le système 50 de l'invention, est une matière carbonée quelconque telle que le charbon, un schiste bitumineux, des sables asphaltiques, des résidus forestiers, des résidus de ferme et des résidus urbains, du bois, du lignite, de la tourbe et similaires. Pour simplifier, le

combustible envisagé est le charbon. Bien que le système 50 soit par-

ticulièrement conçu pour la réaction endothermique du charbon et de l'eau produisant du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, il peut s'adapter à l'emploi de jusqu'à environ 20% en volume d'oxygène apporté

par de l'air tout en conservant certains des avantages décrits ci-

après. La source préférée d'oxygène est l'eau et on préfère l'eau à

l'air. Cependant il reste entendu que dans la description précédente,

toutes les références à l'eau peuvent également s'appliquer à l'air.

Le gazéifieur 55 à vapeur est le site de la réaction endothermique produisant un mélange gazeux de monoxyde de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'acide sulfhydrique, l'acide sulfhydrique résultant de la présence du soufre pouvant être éliminé du système selon des techniques bien connues dans l'art. Les cendres produites parla réaction endothermique se déposent sous l'effet de la pesanteur et on les élimine par une sortie de fond 59 avec tout mâchefer. Le produit gazeux constitué de monoxyde de carbone, d'hydrogène et d'azote quitte le gazéifieur 55 à vapeur à travers une canalisation

de sortie 61. La chaleur pour amorcer et entretenir la réaction endo-

thermique dans le gazéifieur 55 à vapeur est fournie par le passage du gaz de dégagement MHD, comme expliqué ci-après, à travers un

réchauffeur 65 ayant une entrée 66 et une sortie 67 toutes deux rac-

cordées à une canalisation 70. La canalisation 70 est schématisée

sous forme d'un trait unique et représente un mécanisme pour trans-

férer l'énergie du gaz de dégagement MHD-à plusieurs composants du

système 50. Aucun ordre particulier de transfert d'énergie n'est pré-

senté par la figure et le transfert d'énergie n'est pas limité à un

échange de chaleur.

Le gazéifieur 55 à vapeur doit être refroidi et il

existe dans le système 50 une alimentation 75 en eau de refroidisse-

ment raccordée par une entrée 72 à un serpentin de refroidissement 71 en échange de chaleur avec le gazéifieur, cette eau quittant le

serpentin 71 par une sortie 76.

Un brûleur 80 reçoit le produit du gazéifieur par la canalisation 61 et le mélange avec l'air comprimé chaud provenant d'un compresseur d'air 90 et d'un préchauffeur d'air 100. Le compresseur d'air 90 a une entrée d'air 91 et une sortie d'air 98 communiquant avec le préchauffeur d'air 100. Le compresseur d'air 90 est alimenté

en énergie par le mécanisme 95 raccordé de façon appropriée à la cana-

lisation 70 par une entrée 96 et une sortie 97. Le préchauffeur d'air a un réchauffeur 105 ayant une entrée.106 et une sortie 107 toutes deux également raccordées A la canalisation 70. L'air du préchauffeur d'air 100 sort par une canalisation 101 communiquant avec le brûleur 80 o l'air préchauffé et le gaz de dégagement du gazéifieur 55 à vapeur sont combinés et brûlés pour produire un gaz de combustion qui quitte le brûleur 80 par une canalisation 89. Un serpentin de refroidissement 81 ayant une entrée 82 raccordée à la sortie 76 du serpentin 71 et une canalisation de sortie 83 refroidit les parois du brûleur 80 et

maintient son intégrité physique.

Le gaz de combustion du brûleur 80 s'écoule dans la canalisation 89 et à travers une buse (non représentée) dans laquelle

le gaz est accéléré puis pénètre dans un générateur MHD 110. Le géné-

rateur MMD 110, comme il est bien connu dans l'art, comporte un dispo-

sitif pour établir un champ magnétique et des électrodes opposées pour recueillir un courant produit par le plasma qui s'écoule à travers le champ magnétique. L'énergie produite est de l'énergie électrique continue et elle est conduite par une ligne 119 du générateur MHD à un convertisseur 120. Le convertisseur 120 est un dispositif électrique qui transforme le courant continu en courant alternatif, la perte de

rendement du convertisseur étant représentée par une perte d'énergie 121.

Le générateur MHD 110 est-raccordé à un diffuseur 130

qui réduit la vitesse de l'effluent MHD et le conduit par une canali-

sation 139 à un brûleur complémentaire 140. Le générateur MIID 110 et le diffuseur 130 doivent être refroidis et ce refroidissement est

effectué par des serpentins de refroidissement 111 et 131 ayant res-

pectivement chacun une entrée 112 et 132 et une sortie 113 et 133, la

sortie 133 étant raccordée au brûleur complémentaire 140 pour trans-

férer l'énergie thermique recueillie à partir du gazéifieur 55, du

brûleur 80, du générateur 110 et du diffuseur 130.

Le brûleur complémentaire 140 comporte une alimentation en air (non représentée) et brûle l'effluent MRD qui y est introduit par la canalisation 139. Le gaz brûlé dans le brûleur complémentaire est conduit par une canalisation 141 à une cheminée 150 pour être rejeté dans l'atmosphère ou pour être. conduit s'il est nécessaire à une installation d'épuration. L'énergie du gaz de combustion du brûleur complémentaire est conduite par une canalisation de sortie 142 à une turbine à vapeur 155 dans laquelle le gaz passe en échange de chaleur

avec de l'eau pour produire la vapeur d'eau d'entraînement de la tur-

bine, dont l'effluent 156 est utilisé-pour produire du courant élec-

trique alternatif avec un générateur 160 de courant alternatif. Les

énergies de la turbine à vapeur 155 et du générateur de courant alter-

natif 160 sont recyclées respectivement par les canalisations 157 et

161 au brûleur complémentaire 140.

Le mécanisme de transfert d'énergie 145 est placé dans

le brûleur complémentaire 140, la canalisation d'entrée 146 et la cana-

lisation de sortie 147 en étant raccordé à la canalisation commune 70.

Le brûleur complémentaire 140 est raccordé avec échange de chaleur

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avec le gazéifieur 55 à vapeur, le compresseur d'air 90 et le préchauf-

feur d'air 100. Enfin, une partie de l'énergie produite dans le sys-

tème 50 est perdue sous forme de perte de refroidissement dans le brû-

leur complémentaire 140 ét ailleurs, comme représenté par une perte 144. Une source d'énergie auxiliaire 165 fournit de l'énergie addition- nelle au système 50, une ligne de raccordement électrique 166 unissant

schématiquement le système -165 au brûleur complémentaire 140.

Un exemple est présenté ci-après dans lequel le rende-

ment calculé est de 43% relativement à un apport de 286,7 mégawatts d'énergie chimique par heure (ci-après MWc) et ayant une production

nette de 123,6 mégawatts d'énergie électrique par heure (ci-après M{e).

On introduit de l'eau dans le système 50 par la canalisation 56 à un débit de 21 270 kg/h à une température ambiante d'environ 26,50C et on introduit du charbon de Montana (dont l'analyse figure ci-après) dans le gazéifieur 55 à vapeur à un débit de 49 826 kg/h, le charbon ayant

un pouvoir calorifique de 20 730 J/g ce qui correspond à 286,7 MWe.

Pour amorcer et entretenir la réaction endothermique précédemment exposée dans le gazéifieur 55 à vapeur, on doit apporter au gazéifieur par le réchauffeur 65 une quantité d'énergie égale à 210,1 mégawatts thermiques par heure (ci-après MWt). Les gaz quittant le gazéifieur 55 à vapeur par la canalisation de sortie 61 ont un débit de 63 309 kg/h à une température de 1 0260C avec une enthalpie de 2 958 J/g et des

débits horaires d'énergie de 54,5 MWt et de 379,3 Mc.

L'acide sulfhydrique et les cendres quittant le gazéi-

fieur 55 à vapeur respectivement par les canalisations 58 et 59 ont des

débits de 449 kg/h et de 4-339 kg/h, dans les deux cas à la tempéra-

ture de 1 0261C, avec des enthalpies respectives de 1 046 J/g et de

753 J/g. Les courants 58 et 59 combinés ont des débits horaires d'éner-

gie de 2,8 MWc et de 1,0 MWt.

Lorsqu'on utilise du charbon de Montana comme base de calcul, 1 kg d'échantillon contient 0,5211 kg de carbone, 0,0601 kg

d'hydrogène, 0,0086 kg de soufre, 0,0080 kg d'azote, 0,3151 kg d'oxy-

gène et la teneur en cendres est de 0,0871 kg. La gazéification par la vapeur d'eaude 1 kgde ce charbon nécessite 0,379 kg d'oxygène fourni

sous forme de 0,427 kg d'eau par kg de charbon. Le produit du gazéi-

fieur 55 sortant parla canalisation 61 pour pénétrer dans le brûleur80 248875s1 contient (pour 1 kg de-charbon) 1,216 kg de monoxyde de carbone, 0,107 kg d'hydrogène gazeux> 0,009 kg d'acide sulfhydrique gazeux, 0,008 kg d'azote gazeux et 0,087 kg de cendres. Comme précédemment indiqué, on élimine les cendres et l'acide sulfhydrique pour laisser le monoxyde de carbone, l'hydrogène et l'azote qu'on conduit au brû-

leur 80.

Comme déjà indiqué, le gaz de dégagement du gazéifieur à vapeur est conduit par la canalisation 61 au brûleur 80 à un débit de 66 309 kg/h à une température de 1 0260C et à des débits horaires d'énergie de 54,5 Mt et de 379,3 MWc, et on introduit des germes de carbonate de potassium ou de sulfate de potassium dans le

brûleur par la canalisation 86 à un débit de 8 029 kg/h.

Le brûleur 80 reçoit en plus du produit de dégagement du gazéifieur précité, de l'air préchauffé provenant du préchauffeur d'air 100. Le compresseur d'air 90 utilise de l'énergie à raison de 22,3 MNt pour comprimer l'air à 4,8 bars à une température d'environ 2570C. Le débit d'air quittant le compresseur 90 par la canalisation 98 est de 342 252 kg/h pour la température et la pression indiquées et cet air a une énergie horaire de 22,3 MRt. On rajoute de l'énergie au préchauffeur d'air 100 à raison de 156,1 MWt, cette énergie provenant du brûleur complémentaire 140 et l'air quittant le préchauffeur a le même débit que l'air y entrant, c'est-à-dire 342 252 kg/h et est à la même pression d'environ 4,8 bars et la température à la sortie est de

1 6490C et l'énergie horaire de 178,4 MWt. Dans le brûleur 80 le pro-

duit du gazéifieur 55 est brûlé avec l'air préchauffé et le gaz de combustion quitte le brûleur 80 par la canalisation 89 à un débit de

416 590 kg/h et à une température d'environ 2 9350C, les gaz d'échap-

pement ayant une énergie horaire d'environ 555 MWt. Le brûleur 80, comme les autres composants du système 50 nécessite des serpentins de refroidissement pour le maintien de son intégrité structurale et

par conséquent une énergie horaire de 3,06 MWt est éliminée par l'écou-

lement du caloporteur à travers les serpentins de refroidissement 81.

Le gaz de combustion du brûleur 80 est accéléré à tra-

vers une buse (non représentée) et pénètre dans le générateur MHD à une vitesse atteignant 1 100 m/s pour produire de l'énergie sous forme de courant électrique continu à raison d'environ 94,4 Me, ce courant

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quittant le générateur 110 comme indiqué par le conducteur 119 qui le conduit au convertisseur 120 pour le transformer en courant continu à raison de 92,5 S{e, la différence de 1,9 Mit étant perdue par suite du rendement du convertisseur comme illustré en 121. Le générateur MHD 110, ainsi que les autres composants du système, nécessite d'être

refroidi et par conséquent de l'énergie à raison de 31,9 Mit est éli-

minée par l'écoulement du caloporteur dans les serpentins 111.

Le gaz de dégagement du générateur 110 passe à travers le diffuseur 130 si bien que la vitesse de l'effluent MMD quittant le diffuseur est d'environ 100 m/s à un débit d'environ 416 590 kg/h. La température du gaz quittant le diffuseur 130 est de 2 3720C avec une

énergie horaire de 398,8 MWt et l'énergie horaire quittant le diffu-

seur par le serpentin de refroidissement 131 est de 29,9 MWt.

L'effluent MHD quittant le diffuseur 130 est brûlé dans le brûleur complémentaire 140 et une portion de l'énergie est recyclée

dans le gazéifieur 55 à vapeur, le compresseur d'air 90 et le pré-

chauffeur 100 pour améliorer le rendement du système et économiser le

combustible généralement nécessaire pour faire fonctionner le préchauf-

feur d'air, le compresseur d'air et fournir l'énergie nécessaire pour amorcer et entretenir la réaction endothermique dans le gazéifieur à vapeur. Le gaz du brûleur complémentaire 140 est conduit à la cheminée par la canalisation 141 à une température d'environ 1210C et avec une énergie horaire d'environ 20 MWt. De plus les pertes totales par refroidissement du système indiquées en 144 sont d'environ 143,1 IfMt, compte tenu des pertes de refroidissement du gazéifieur 55 à vapeur, du brûleur 80, du générateur MHD 110, du.diffuseur 130 et du brûleur complémentaire 140. Le brûleur complémentaire lui-même fournit 26,6 MWt additionnels à la combustion des gaz qui s'y produit et une portion de cette énergie en plus de l'énergie de l'effluent MHD est transmise par la canalisation 142 à la turbine à vapeur 150 et par suite au générateur de courant alternatif 160 pour produire de l'énergie sous - forme de courant alternatif à raison de 41,2 MWe. Le générateur de courant alternatif et la turbine à vapeur recyclent tous deux 9,7 M{e

d'énergie au brûleur complémentaire 140.

- Le bilan énergétique du brûleur complémentaire 140 est le suivant:

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Energie (effluent MHD) 398,8 MWt Energie (serpentins de refroidissement) 151,6 MWt Energie (brûleur complémentaire) 26,6 MWt Energie (énergie auxiliaire ajoutée) 1 t énergie entrante = 587,1 Mt Energie (compresseur d'air) 22,3 MWt Energie (préchauffeur d'air) 156,1 MWt Energie (gazéifieur à vapeur) 210,1 Mt Energie (gaz de cheminée) 20,0 MWt Energie (nette) (turbine à vapeur et générateur 41,2 MWt de courant alternatif) Energie (pertes par refroidissement) 137,4 MWt énergie sortante = 587,1 MWt Le brûleur 80 et le générateurMHD 110 constituent la partie centrale du système 50. Bien que la pression des gaz dans le mode de réalisation préféré soit d'environ 4,8 bars, le brûleur 80 peut opérer dans une gamme des pressions d'environ 1,4 à environ ,3 bars. Si la pression est inférieure à environ 1,4 bar, l'énergie

produite dans le générateur MHD 110 s'abaisse à une valeur inacceptable.

L'énergie produite dans le générateur MHD 110 est liée au débit mas-

sique dans le générateur et si les pressions sont inférieures à envi-

ron 1,4 bar, la densité du gaz est suffisamment faible pour que la conductivité du gaz ainsi que le débit massique diminuent, cette double diminution entraînant une baisse de la production d'énergie du générateur MHD. Des pressions supérieures à environ 10,3 bars sont

indésirables-car l'appareillage nécessaire pour résister à ces pres-

sions est plus compliqué et coûteux, une technologie haute pression étant nécessaire dans le cas de pressions supérieures à environ ,3 bars, de telles pressions entraînant une dépense inutile et par

conséquent indésirable.

Bien que dans le mode de réalisation préféré illustré la température du gaz de combustion du brûleur 80 soit de 2 9360C, le système 50 peut convenir pour des températures du gaz de combustion du

brûleur 80 comprises dans la gamme d'environ 1 982 à environ 3 315 C.

Des températures supérieures à 3 315 C nécessitent une technologie des métaux plus élaborée tandis que des températures inférieures à

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12' environ 1 9820C ne permettent pas d'obtenir un plasma ayant une bonne

conduction de l'électricité. Comme précédemment indiqué, des tempé-

ratures plus élevées du gaz sont préférables en ce qui concerne la conductivité électrique et la production d'énergie mais néanmoins les gammes précitées doivent être respectées. Il est évident pour l'homme de l'art que les paramètres de température et de pression du brûleur 80 sont influences par les températures et les pressions de l'effluent du gazéifieur 55 à vapeur et du préchauffeur d'air 100. Néanmoins chacun de ces composants peut être utilisé dans les gammes indiquées dé températures et de pressions mais une température plus basse du gazéifieur 55 à vapeur nécessite une

température plus élevée du préchauffeur d'air 100 et ainsi de suite.

Le gazéifieur 55 à vapeur peut fonctionner dans une gamme destempé-

ratures d'environ 704 à environ 1 3710G. Les températures inférieures à environ 7040C ne produisent pas une réaction de gazéification suf-

fisante sans un catalyseur et par conséquent ne sont pas souhaitées.

La température d'environ 1 371VC est la limite supérieure pour des problèmes de manipulation de matière, Le compresseur d'air 65 débite généralement de l'air à une température d'environ 260C pour une pression de 4,8 bars. La

température de sortie et la pression de sortie de l'air du compres-

seur d'air 65 sont liées entre elles et de façon générale ne peuvent

pas varier individuellement. On peut faire fonctionner le prêchauf-

feur d'air pour qu'il produise de l'air préchauffé ayant une tempé-

rature comprise entre environ 260 et environ 1 6490C. De préférence on utilise une température élevée pour que le brûleur 80 ait moins d'énergie à fournir. Lorsqu'on utilise des températures basses, de l'ordre de 260C, on doit faire fonctionner le gazéifieur 55 à vapeur

à une température plus élevée en raison de la température de préchauf-

fage plus basse. Comme précédemment indiqué, il existe une relation mutuelle entre la température et la pression de sortie de l'air du préchauffeur 100 et la température de sortie du gazéifieur 55 à vapeur

pour qu'on obtienne la température de sortie désirée du brûleur 80.

La matière d'ensemencement est un sel de métal alcalin et de préférence le sulfate de potassium ou le carbonate de potassium et on choisit le débit de 8 029 kg/h pour satisfaire aux paramètres

du mode opératoire préféré mais il est entendu que le débit d'ensemen-

cement peut varier dans une gamme étendue de paramètres nécessaires pour maintenir un ensemencement et une conductivité appropriés du gaz dans le générateur MID 110. Comme on élimine les cendres du gazéifieur 55 à vapeur, elles ne sont pas présentes dans le gaz de combustion produit dans le brûleur 80 et par conséquent la récupération de la matière d'ensemencement est facilitée ce qui est un avantage majeur

de l'invention. Le gaz de combustion du brûleur 80 est constitué prin-

cipalement de dioxyde de carbone et d'eau avec une certaine quantité de monoxyde de carbone présente avec de l'azote. Il n'y a pratiquement pas de cendres ni de quantité notable d'acide sulfhydrique que l'on a

de préférence séparésdans le gazéifieur 55 à vapeur.

Le générateur MHD 110 et le diffuseur 130 sont généra-

lement considérés comme une unité unique et les gammes des températures et des pressions précédemment indiquées pour le brûleur 80 demeurent

vraies pour le générateur MHD et le diffuseur. On peut faire fonction-

ner le générateur MHD 110 en association avec la buse (non représentée) pour s'adapter.à des vitesses du plasma comprises entre environ 0,4 et

environ 1,1 mach ou entre environ 400 et environ 1 100 m/s. La tempé-

rature du gaz quittant le diffuseur 130 est inférieure d'environ 5600C à celle du gaz entrant dans le générateur MID 110 ou, selon le mode de réalisation préféré, la température du gaz d'entrée est d'environ

2 9350C et la température du gaz sortant du diffuseur est de 2 3720C.

En ce qui concerne les gammes des vitesses, des vitesses du plasma inférieures à environ 400 m/s provoquent une diminution inacceptable de la puissance produite car la puissance produite par le générateur dépend de la masse qui le traverse, cette masse dépendant elle-même de la vitesse et de la densité du gaz. Des vitesses du gaz supérieures à environ 1 100 m/s provoquent des instabilités du plasma qui sont indésirables et par conséquent la vitesse supérieure est fixée au

voisinage de 1 mach.

Les températures et les pressions acceptables dans le brûleur complémentaire 140 sont les mêmes que celles acceptables pour

le brûleur 80 et pour les mêmes raisons.

Le procédé de l'invention produit de l'énergie élec-

trique par emploi d'un gazéifieur à vapeur et d'un générateur MHD qui

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utilise l'énergie de l'effluent ou gaz de dégagement MUD pour entrete-

nir la réaction endothermique dans le gazéifieur à vapeur et faire

fonctionner le préchauffeur d'air et le compresseur d'air. Le rende-

ment global du procédé de l'invention est supérieur à ceux précédem-

ment indiqués dans la littérature par suite du recyclage d'énergie dans le générateur MHD par l'intermédiaire du gazéifieur, du préchauffeur d'air et du compresseur. L'emploi d'une réaction endothermique de gazéification du charbon avec de l'eau ou de la vapeur d'eau au lieu d'oxygène est capital dans le procédé de l'invention bien qu'on puisse admettre jusqu'à 20% en volume d'oxygène sans perdre tous les avantages

du présent système. Un autre avantage important du procédé de l'inven-

tion est qu'il est inutile de sécher le combustible ou le charbon avant de l'introduire dans le système ce qui économise de l'énergie. De plus des combustibles à forte humidité tels que des résidus forestiers, des résidus de fermes et des résidus urbains, du bois, du lignite et de la tourbe sont économiques à utiliser dans le système de l'invention car un séchage est inutile. On peut utiliser dans le système sans nuire à aucun de ses avantages d'autres combustibles tels que du schiste bitumeux et des sables asphaltiques ou des mélanges quelconques

des combustibles cités.

Comme on élimine le mâchefer du gazéifieur, et qu'il n'est jamais conduit au générateur MHD, la séparation de la matière

d'ensemencement du mâchefer ou des cendres est inutile ce qui cons-

titue une économie importante par rapport aux systèmes antérieurs.

Bien qu'l titre illustratif on ait décrit ici l'emploi d'un gazéifieur à vapeur, il est évident que les charges du gazéifieur peuvent comprendre d'autres matières bien connues telles que l'eau,

le dioxyde de carbone ou l'air.

* Bien entendu, diverses modifications peuvent être appor-

tées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent

d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sor-

tir du cadre de l'invention.

R EV E N DI C A T I 0 N S

1. Procédé pour produire de l'énergie électrique à partir de l'énergie obtenue par combustion d'une matière carbonée et emploi d'un générateur MHD, caractérisé en ce qu'on introduit la matière carbonée (57) et de l'eau (56) dans un gazéifieur (55), on amorce et entretient la réaction endothermique du carbone et de l'eau dans le gazéifieur (55) pour produire un courant gazéifié (61) contenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, on conduit le courant gazéifié (61) et une matière ionisante d'ensemencement (85) à un brûleur (80) et on y met le courant gazéifié (61) en contact avec de l'air préchauffé (101) pour brûler le courant gazéifié (61) et produire des gaz de combustion ionisés (89) ayant une température

supérieure à environ 1 982 C, on accélère les gaz de combustion ioni-

sés à une vitesse supérieure à environ 400 m/s, on fait passer les gaz de combustion ionisés accélérés à travers un générateur MHD (110) pour produire de l'énergie sous forme de courant électrique continu (119) puis à travers un diffuseur (130) pour réduire la vitesse des gaz et on fait passer les gaz (139) du diffuseur (130) en échange de

chaleur avec le gazéifieur (55) pour fournir de la chaleur pour entre-

tenir la réaction endothermique du carbone et de l'eau.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient le mélange dans le gazéifieur (55) à une température

comprise entre environ 704 et environ 1 370 C.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

la matière d'ensemencement (85) est du sulfate de potassium ou du car-

bonate de potassium.

4. Procédé selon la.revendication 1, caractérisé en ce que l'air préchauffé (101) pénètre dans le brûleur (80) à une pression

comprise entre environ 1,4 bar et environ 10,3 bars.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air préchauffé (101) pénètre dans le brêleur (80) à une température

comprise entre environ 260 C et environ 1 6490C.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

les gaz de combustion ionisés (89) quittent le brêleur (80) à une tem-

pérature comprise entre environ 1 982 C et environ 3 3150C.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce

qu'on accélère les gaz de combustion ionisés (89) à une vitesse com-

prise entre environ 400 m/s et environ 1 100 m/s.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz pénétrant dans le générateur MHD (110) sont pratiquement

dépourvus de cendres.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

la vitesse des gaz (139) quittant le diffuseur est d'environ 100 m/s.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

la température des gaz (139) quittant le-diffuseur est inférieure d'en-

viron 560'C à la température des gaz (89) pénétrant dans le généra-

teur MHD.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de plus on fait passer au moins une portion des gaz du diffuseur en échange de chaleur avec de l'eau pour produire de la vapeur d'eau que l'on conduit à une turbine à vapeur (155) pour produire de l'énergie

sous forme de courant alternatif.

12.. Procédé pour produire de l'énergie électrique, carac-

térisé en ce qu'il consiste à introduire une matière carbonée (57) et de l'eau (56) dans un gazéifieur (55), chauffer le mélange de la matière

carbonée et de l'eau pour amorcer et entretenir la réaction endother-

mique du charbon et de l'eau et former un courant gazéifié (61) conte-

nant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, conduire le courant gazéifié (61), une matière ionisante d'ensemencement (85) et de l'air (101) provenant d'un préchauffeur (100) à un brûleur (80) pour brOler le courant gazéifié et produire des gaz de combustion ionisés (89) ayant une température supérieure à environ 1 9820C, accélérer les gaz de combustion ionisés à une vitesse supérieure à environ 400 m/s, faire passer les gaz de combustion ionisés accélérés à travers un générateur MHD (110) pour produire de l'énergie sous forme de courant électrique continu (119) puis à travers un diffuseur (130)

pour réduire la vitesse des gaz, faire passer les gaz (138) du diffu-

seur dans un brûleur complémentaire (140) pour les brûler, faire passer les gaz du brûleur complémentaire en échange de chaleur avec le gazéifieur (55) pour fournir de la chaleur pour entretenir la réaction endothermique du carbone et de l'eau et avec le préchauffeur (100) pour

préchauffer l'air avant la combustion avec le courant gazéifié.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on choisit la matière carbonée (57) parmi le charbon, le schiste bitumineux, les sables asphaltiques, les résidus de forêt, les résidus de ferme et les résidus urbains, le bois, le lignite, la tourbe et leurs mélanges. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que

la matière carbonée (57) est le charbon.

15. Procédé pour produire de l'énergie électrique, caracté-

risé en ce qu'il consiste à introduire du charbon (57) et de l'eau (56) dans un gazéifieur (55), chauffer le mélange de charbon et d'eau pour amorcer et entretenir la réaction endothermique du carbone et de l'eau et produire ainsi un courant gazéifié (61) contenant du monoxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, utiliser un compresseur (90) pour comprimer l'air (91) et un préchauffeur (100) pour préchauffer

l'air (98), faire passer le courant gazéifié (61), une matière ioni-

sante d'ensemencement (86) et de l'air préchauffé comprimé (101) ayant une température d'au plus environ 1 6490C et une pression d'au plus environ 10,3 bars dans un brûleur (80) pour brûler le courant gazéifié (61) et produire ainsi des gaz de combustion ionisés (89) ayant une température comprise entre environ 1 982 et environ 3 3150C, accélérer les gaz de combustion ionisés à une vitesse comprise entre environ

400 m/s et environ 1 100 m/s, faire passer les gaz de combustion ioni-

sés accélérés à travers un générateur MHD (110) pour produire de

l'énergie sous forme de courant électrique continu (119) puis à tra-

vers un diffuseur (130) pour réduire la vitesse des gaz, conduire les

gaz (139) du diffuseur à un brûleur complémentaire (140) pour les brû-

ler et faire passer les gaz du brûleur complémentaire en échange de

chaleur avec le gazéifieur (55) pour fournir de la chaleur pour entre-

tenir la réaction endothermique du carbone et de l'eau et en échange de chaleur avec le préchauffeur (100) pour fournir de la chaleur pour

préchauffer l'air et extraire l'énergie des gaz du brûleur complémen-

taire pour en alimenter le compresseur (90).

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on introduit le charbon (57) et l'eau (56) dans le gazéifieur (55)

aux températures ambiantes.

17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le courant gazéifié (61) quittant le gazéifieur (55) est à une

température inférieure à environ 1 093 C, l'air (98) quittant le com-

presseur (90) est à une température d'environ 260 C et à une pression d'environ 4,8 bars et l'air (101) quittant le préchauffeur (100)-est à une température d'environ 1 649 C et en ce que les gaz de combustion ionisés (89) quittent le brûleur (80) à une température comprise entre

environ 2 760 C et environ 3 038 C.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'on accélère les gaz de combustion ionisés (89) à une vitesse d'environ 1 100 m/s et en ce que les gaz (139) quittant le diffuseur (130) ont une vitesse d'environ 100 m/s et une température comprise

entre environ 2 204 C et environ 2 482 C.