FR2689334A1 - Procédé et système pour produire de l'énergie électrique. - Google Patents
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Abstract
Procédé et système convertissant l'énergie chimique du méthane en énergie électrique. Le méthane est décomposé thermiquement en hydrogène et carbone dans un dispositif de décomposition (12) à une température d'au moins 1200K et une pression d'au moins 1,1 atm. Le carbone, de l'oxygène sensiblement pur et un matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium sont transmis à un brûleur (16) maintenu à une pression d'au moins 50 atm pour brûler le carbone et l'oxygène et fournir un plasma ionisé d'une température d'au moins 2900 K. Ce plasma est accéléré à une vitesse d'au moins 1000 m/s et traverse un générateur MHD (30) ayant un champ magnétique entre 4 T et 6 T pour générer un courant continu, puis il est décéléré et passe selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane en le chauffant pour le décomposer; ensuite le matériau d'ensemencement est récupéré et transporté au brûleur et le courant continu du générateur MHD est converti en courant alternatif.
Description
Origine contractuelle de l'invention Le gouvernement des Etats-Unis
possède des droits
dans cette invention conformément à la relation employé-
employeur entre les inventeurs et le Département de l'Energie des EtatsUnis au "Pittsburgh Energy
Technology Center".
Contexte de l'invention Cette invention se rapporte à un procédé et à des moyens améliorés pour convertir l'énergie de combustibles naturels faciles à trouver, qui sont abondants aux Etats-Unis, en énergie électrique, par l'intermédiaire d'un générateur magnétohydrodynamique (M H D) Plus spécifiquement, l'invention se rapporte à un concept global d'utilisation du gaz de méthane pour fournir une alimentation en carbone pour un générateur M H D en combinaison avec de l'oxygène sensiblement pur, pour fournir un système à générateur électrique M H D qui produit peu ou pas de polluants dans l'atmosphère et qui
peut produire un rendement de cycle global excédant 70 %.
En outre, avec une légère modification, le système peut être adapté à l'utilisation du charbon, qui est le combustible fossile le plus abondant aux Etats-Unis Une option additionnelle à l'invention est la fourniture d'une usine de production de méthanol qui, en combinaison avec le concept original, est très économique. Le gaz naturel est du méthane à 99 % approximativement et cette invention concerne l'utilisation de méthane et d'oxygène sensiblement pur comme matériaux d'alimentation pour un générateur M.H D Dans un autre aspect de l'invention, une cellule électrochimique est avantageusement combinée avec le générateur M H D parce que le méthane est décomposé en carbone, qui est utilisé dans le générateur M H D, et en hydrogène, qui peut être transféré à la cellule électrochimique du type à carbonate fondu ou à oxyde solide, toutes deux pouvant produire de la puissance additionnelle. Objets de l'invention En conséquence, un objet de l'invention est de fournir un système à rendement élevé pour la production d'énergie électrique utilisant du gaz naturel comme combustible principal ou du charbon comme combustible
principal, qui produit peu, ou pas, de matériau perdu.
Un autre objet de l'invention est de fournir un système du type exposé, dans lequel le rendement de
cycle global excède 70 %.
L'invention consiste en certaines caractéristiques nouvelles et en une combinaison d'éléments décrits complètement ci-après, illustrés dans les dessins complémentaires, et désignés en particulier dans les
revendications annexées, étant bien compris que divers
changements dans les détails peuvent être faits sans s'éloigner de l'esprit, ou sans sacrifier l'un
quelconque des avantages de la présente invention.
L'invention a donc pour objet un procédé de conversion de l'énergie chimique du méthane en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique du méthane en hydrogène et en carbone dans un dispositif de décomposition à une température non inférieure à environ 1200 K et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique; la transmission du carbone à un brûleur; l'introduction d'oxygène sensiblement pur et d'un matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium dans le brûleur et leur maintien avec le carbone à une pression d'au moins environ 50 atmosphères pour brûler le carbone et l'oxygène et fournir un plasma ionisé ayant une température non inférieure à environ 3000 K; l'accélération du plasma ionisé jusqu'à une vitesse non inférieure à environ 1000 m/s et le transport de ce dernier à travers un générateur M H D ayant un champ magnétique compris dans le domaine allant d'environ 4 tesla à environ 6 tesla pour générer de la puissance en courant continu; la décélération du plasma ionisé, son passage à partir du générateur M H D selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane pour chauffer ce dernier pour le décomposer et par la suite la récupération de tout le matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium et son transport jusqu'au brûleur; et la conversion de la puissance en courant continu provenant du
générateur M H D en puissance en courant alternatif.
La décomposition du méthane ayant lieu à une température comprise dans le domaine allant d'environ 1200 K à environ 1500 K, à une pression comprise dans le domaine allant d'environ 5 atmosphères à environ atmosphères et le plasma ionisé étant accéléré jusqu'à une vitesse d'environ 2750 m/s, le brûleur peut fonctionner à une pression comprise dans le domaine allant d'environ 200 atmosphères à environ
500 atmosphères.
L'invention a aussi pour objet un procédé de conversion de l'énergie chimique du méthane en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique du méthane en hydrogène et en carbone dans un dispositif de décomposition à une température non inférieure à environ 1200 K et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique; la transmission du carbone provenant de la décomposition du méthane à un brûleur et de l'hydrogène provenant de la décomposition du méthane avec de l'oxygène à une cellule électrochimique pour générer de la puissance en courant continu; l'introduction d'oxygène sensiblement pur et d'un matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium dans le brûleur et leur maintien avec le carbone à une pression d'au moins environ 200 atmosphères pour brûler le carbone et l'oxygène et fournir un plasma ionisé ayant une température non inférieure à environ 4000 K; l'accélération du plasma ionisé jusqu'à une vitesse d'environ 2750 m/s et le transport de ce dernier à travers un générateur M H D. ayant un champ magnétique compris dans le domaine allant d'environ 4 tesla à environ 6 tesla pour générer de la puissance en courant continu; la décélération du plasma ionisé, son passage à partir du générateur M.H D à un brûleur secondaire auquel est ajouté de l'oxygène sensiblement pur pour brûler tout le monoxyde de carbone disponible; le passage des effluents gazeux provenant du brûleur secondaire selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane pour chauffer ce dernier pour le -décomposer et par la suite la récupération de tout le matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium et son transport jusqu'au brûjleur; et la conversion de la puissance en courant continu provenant du générateur M H D. et de la cellule électrochimique en puissance en
courant alternatif.
Dans ce cas, le brûleur peut fonctionner à une pression d'environ 500 atmosphères et la température dans le brûleur peut être d'environ 4500 K. L'invention concerne également un système de conversion de l'énergie chimique du méthane en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de décomposition pour décomposer thermiquement du méthane à une température non inférieure à environ 1200 K et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour former du carbone et du gaz d'hydrogène; un dispositif de combustion pour brûler le carbone produit par la décomposition du méthane avec de l'oxygène sensiblement pur et un matériau d'ensemencement à base de potassium ou de césium pour produire un plasma ionisé ayant une température non inférieure à environ 2900 K; un générateur M H D pour accélérer le plasma jusqu'à une vitesse non inférieure à environ 1000 m/s et ayant un champ magnétique compris dans le domaine allant d'environ 4 tesla à environ 6 tesla pour produire de la puissance en courant continu; un appareil d'échange de chaleur pour faire passer les gaz quittant le générateur M H D selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane pour chauffer ce dernier pour le décomposer; et un onduleur pour convertir la puissance en courant continu en puissance
en courant alternatif.
Brève description des dessins
Dans le but de faciliter la compréhension de l'invention, dans les dessins complémentaires est illustré un mode de réalisation préféré de celle-ci, dont l'examen, lorsqu'il est considéré conjointement à
la description suivante, permet de comprendre et
d'apprécier facilement l'invention, sa construction, son
fonctionnement et beaucoup de ses avantages.
La figure 1 est un schéma fonctionnel de l'invention; La figure 2 est un schéma fonctionnel de l'invention, modifié pour la production de méthanol; La figure 3 est un schéma fonctionnel de l'invention, modifié pour utiliser du charbon comme
matériau de départ.
Description de l'invention
Dans la figure 1 se trouve un système à générateur G M.H D, 10, incluant une source de méthane ou de gaz naturel, non indiquée, qui amène le méthane à travers un conduit il à un dispositif de décomposition thermique, 12 Dans le dispositif de décomposition thermique 12, le méthane est décomposé en hydrogène et en carbone, le carbone partant par une canalisation 13 et l'hydrogène partant par une canalisation 14 Le carbone est transmis via la canalisation 13 à un brûleur 16 et le gaz d'hydrogène est transmis via la canalisation 14 à une cellule électrochimique 15 du type à oxyde solide ou à carbonate fondu avancé De telles cellules
électrochimiques sont décrites dans le brevet des Etats-
Unis NO 4,883,497 de Claar et autres, le brevet des Etats-Unis NO 4,765, 349 de McPheeters et autres, le brevet des Etats-Unis NO 4,476,196 de Poeppel et autres, le brevet des Etats-Unis NO 4,476,197 de Herceg, le brevet des Etats-Unis NO 4,476,198 de Ackerman et autres, le brevet des Etats-Unis NO 4,510,212 de Fraioli, le brevet des Etats-Unis NO 4,581, 303 de Pasco et autres, les brevets des Etats-Unis NO 4,548,877,
4,540,640 et 4,526,812 de Iacovangelo et autres.
Le brûleur 16 reçoit le carbone via la canalisation 13 à partir du dispositif de décomposition du méthane, 12, et un matériau d'ensemencement convenable pour un générateur M H D Du carbonate de césium, qui pénètre via une canalisation 17 dans le brûleur 16, est illustré dans le dessin En addition au carbonate de césium, du carbonate de potassium peut aussi être utilisé, comme il est bien connu Le brûleur 16 reçoit aussi, via une canalisation 26, de l'oxygène préchauffé amené au brûleur à partir d'une fabrique d'oxygène 18 qui reçoit de l'air à travers une admission 19 et produit de l'oxygène sensiblement pur à travers une canalisation de sortie 20, oxygène qui est transmis à un dispositif de préchauffage d'oxygène, 25, o il est chauffé en arrivant selon une relation d'échange de chaleur avec les gaz d'échappement du générateur M H D 30 Par oxygène sensiblement pur, on veut dire oxygène pur à plus de 99 % L'oxygène chauffé sort du dispositif de préchauffage 25 via une canalisation 26, vers le brûleur 16 De l'oxygène moins pur peut être utilisé, mais alors il faut s'occuper des divers oxydes d'azote pour
minimiser les effets défavorables sur l'environnement.
Le générateur M H D 30 est bien connu et est du type à plasma décrit dans le brevet des Etats-Unis
NO 4,345,173 de Marchant et autres, le brevet des Etats-
Unis NO 3,895,243 de Amend et autres publié le 15
juillet 1975, dont les descriptions sont incorporées ci-
inclus par référence.
Le générateur M H D 30 est enfermé à l'intérieur d'un aimant ayant un pôle nord 31 et un pôle sud 32, et fournit du gaz ou du plasma à une température très élevée, indiqué par la flèche 34, qui est utilisé pour préchauffer l'oxygène dans le dispositif de préchauffage d'oxygène 25 et en sort par une canalisation 34 a vers un brûleur secondaire 35 Dans le brûleur secondaire 35, l'oxygène pénètre via une canalisation 21 provenant de la fabrique d'oxygène 18, les gaz y réagissent comme il sera décrit ci-après et en sortent via une canalisation 36 qui passe à travers le dispositif de décomposition thermique 12 Les gaz provenant du brûleur secondaire 35 passent selon une relation d'échange de chaleur avec le gaz naturel pénétrant dans le dispositif de décomposition thermique 12 via une canalisation 11 pour chauffer les gaz contenus à la température désirée et sortent du dispositif de décomposition thermique 12 via une canalisation 37 qui mène à un dispositif de récupération de chaleur et d'ensemencement, 40 Dans le dispositif de récupération de chaleur et d'ensemencement , l'ensemencement de carbonate de césium ou de carbonate de potassium est récupéré et amené via une canalisation 41 soit à un dispositif d'alimentation, non indiqué, soit à la canalisation 17 pour être réintroduit dans le brûleur 16 Les gaz provenant du brûleur secondaire sans l'ensemencement de carbonate de césium sont déchargés via une canalisation 42 et consistent principalement en dioxyde de carbone L'énergie des gaz de combustion est utilisée dans le dispositif de récupération de chaleur et d'ensemencement 40 pour élever une pression de vapeur qui est transmise via une canalisation 43 à un générateur à turbine à vapeur, 45,
pour la production d'électricité.
Comme énoncé précédemment, la cellule électrochimique 15 reçoit de l'hydrogène comme combustible via une canalisation 14 à partir de la décomposition thermique du méthane dans le dispositif de décomposition 12 et de l'oxygène à partir de la fabrique d'oxygène 18 via une canalisation 22 L'oxygène et le combustible d'hydrogène passent à travers la cellule électrochimique 15 pour produire de la puissance en courant continu qui est transmise via une canalisation 46 à un onduleur 50 et l'énergie thermique provenant de la cellule électrochimique, sous la forme d'eau chaude, est transmise via une canalisation 47 à un dispositif de récupération de chaleur, 51, duquel la chaleur est extraite et utilisée pour produire de la vapeur qui est transmise via une canalisation 53 à la turbine à vapeur, l'eau perdue étant évacuée du dispositif de récupération
de chaleur 51 via une canalisation 52.
La puissance générée à partir du générateur M H D. est de la puissance en courant continu et est transmise via une canalisation 33 à l'onduleur 50 pour la conversion en puissance en courant alternatif avec la puissance générée à partir de la cellule électrochimique 15. Dans un exemple du système 10, le débit du méthane dans le dispositif de décomposition thermique 12 est de kg/s à la température de 300 K La décomposition thermique a lieu à une température comprise dans le domaine allant d'environ 1200 K à environ 1500 K et à une pression comprise dans le domaine allant de légèrement au-dessus de la pression atmosphérique ou environ 1,1 atm à environ 20 atm Il est préférable que la décomposition du méthane ait lieu à environ 1500 K et à environ 10 atm, produisant un débit de carbone de 7,5 kg/s à une température d'environ 1500 K Un domaine de pression allant d'environ 5 atm à environ 20 atm est acceptable Le débit de l'hydrogène provenant du dispositif de décomposition thermique 12 est d'environ 2,5 kg/s, également à une température d'environ 1500 K. L'introduction du produit de combustion à travers la canalisation 36 se fait avec un débit d'environ 28,2 kg/s avec une température d'admission d'environ 2600 K et une température d'échappement d'environ 1700 K
pour les paramètres donnés du système.
Le brûleur 16 brûle le carbone et l'oxygène relativement pur a une pression comprise dans le domaine allant d'environ 50 atm à environ 500 atm, 500 atm étant préféré si le dioxyde de carbone est le produit principal et 50 atm étant suffisant si seul le monoxyde de carbone est produit Si des pressions inférieures étaient utilisées, alors les rendements ne seraient pas aussi élevés et un équipement plus important serait exigé Bien que du carbonate de potassium puisse être utilisé au lieu du carbonate de césium indiqué, le carbonate de césium est préféré Dans le brûleur 16, la pression de stagnation est d'environ 500 atm et la température de stagnation est d'environ 4520 K Le brûleur 16 fonctionne avec un excès de carbone tel que la stoechiométrie est d'environ 0,91 avec un débit d'oxygène de 18,18 kg/s, l'oxygène arrivant ayant une température d'environ 2000 K Le débit du carbone, comme énoncé précédemment, est d'environ 7,5 kg/s, le débit du carbonate de césium est d'environ 0,52 kg/s, le débit total dans le brûleur 16 étant d'environ 26,2 kg/s Dans le générateur M H D 30, le plasma est accéléré dans une tuyère M H D à l'entrée du générateur jusqu'à une vitesse comprise dans le domaine allant d'environ d O 1000 m/s (Mach 1, 0) à environ 2750 m/s, qui vaut environ Mach 3 Des vitesses, pressions et températures inférieures sont utilisées lorsque le gaz produit prédominant est le monoxyde de carbone Le gaz à vitesse élevée s'écoule ensuite à travers le générateur M H D. avec un champ magnétique imposé important, compris dans le domaine allant d'environ 4 T à environ 6 T et l'énergie est extraite à travers une série d'électrodes le long des parois du générateur, comme il est bien connu Bien qu'une diversité de vitesses d'admission, d'intensités du champ magnétique et de paramètres de charge du générateur existe, un jeu de paramètres possible est une température statique d'admission de 3100 K, une pression statique d'admission de 10 atm et une vitesse d'admission de 2750 m/s Des champs magnétiques maximum de 4-6 T et une température de sortie du diffuseur d'environ 2600 K à une pression de 1 atm peuvent être utilisés Dans ces circonstances, un générateur M H D 30 aurait un rendement calculé de 85 % et la puissance extraite serait d'environ 112 M We avec
un débit dans le canal d'environ 26,2 kg/s.
Comme dans la plupart des générateurs M H D 30, un diffuseur est exigé à la sortie du générateur pour récupérer l'énergie cinétique du plasma et réduire sa vitesse à un niveau relativement bas et gérable Comme il est connu, la sortie électrique du canal est de la puissance en courant continu qui circule le long de la canalisation 33 vers l'onduleur 50 o elle est convertie
en puissance en courant alternatif.
Le dispositif de préchauffage d'oxygène, 25, est un échangeur de chaleur typique, o la température d'admission du gaz de combustion provenant de la canalisation 34 est d'environ 2600 K et la température d'échappement du gaz de combustion est d'environ 2150 K,
le débit du gaz de combustion étant de 26,2 kg/s.
L'admission d'oxygène du dispositif de préchauffage 25, provenant de la canalisation 20 qui est l'échappement de il la fabrique d'oxygène 18, est à une température de 300 K et a un débit d'environ 18,18 kg/s La température d'échappement de l'oxygène dans la canalisation 26 à partir du dispositif de préchauffage 25, dans ces circonstances et conditions, est d'environ 2000 K Les gaz d'échappement du générateur M H D 30 pénètrent dans le dispositif de préchauffage 25 à partir de la canalisation 34 à environ 2600 K et sortent du dispositif de préchauffage 25 dans la canalisation 34 a à une température d'environ 2150 K vers le brûleur secondaire 35, qui brûle les effluents gazeux provenant du générateur M H D 30 avec l'oxygène amené à partir de la fabrique d'oxygène 18 via la canalisation 21 Le débit de l'oxygène dans le brûleur secondaire 35 peut être de 2,0 kg/s, la température d'admission étant de 300 K La température d'admission des gaz de combustion dans le brûleur secondaire 35 est de 2150 K et la température d'échappement des gaz de combustion après une combustion exothermique est de 2600 K La stoechiométrie dans le brûleur secondaire 35 est de 0,91, c'est-à-dire un excès de carbone sous la forme de monoxyde de carbone, et la stoechiométrie à la sortie est telle que tout le monoxyde de carbone a été brûlé en dioxyde de carbone Le débit du gaz de combustion à l'entrée du brûleur secondaire 35 est de 26,2 kg/s et le débit du gaz de combustion à la sortie est de 28,2 kg/s, prenant donc en compte l'alimentation d'oxygène de
2,0 kg/s.
La fabrique d'oxygène 18 est une fabrique d'oxygène cryogénique qui reçoit de l'air avec un débit de 173,14 kg/s, amène de l'oxygène au générateur M H D 30 avec un débit de 20,18 kg/s via une canalisation 20 et amène de l'oxygène via la canalisation 22 à la cellule
électrochimique 15 avec un débit de 20,18 kg/s.
L'oxygène partant de la fabrique 18 est à la température ambiante, ou environ 300 K L'oxygène fourni à la cellule électrochimique 15 est à une pression d'environ A,. atm et l'oxygène fourni à partir du dispositif de
préchauffage 25 est à une pression d'environ 500 atm.
Des soupapes appropriées sont exigées comme il est bien
connu, mais ne sont pas indiquées.
La cellule électrochimique 15 qui, comme décrit précédemment ci-inclus, peut être du type à carbonate fondu ou du type à combustible oxyde solide avec un rendement isentropique d'environ 70 %, produit de la puissance en courant continu et utilise de l'hydrogène comme combustible et de l'oxygène comme oxydant Le débit d'hydrogène dans la cellule électrochimique 15 via une canalisation 14 est d'environ 2,5 kg/s, tandis que le débit d'oxygène dans la cellule électrochimique est, comme énoncé précédemment, d'environ 20,18 kg/s La puissance utile de la cellule électrochimique est de 212 X We, tandis que le débit de l'eau sortant de la cellule électrochimique est d'environ 22,68 kg/s et qu'elle est évacuée via la canalisation 52, après avoir
récupérer la chaleur de cette dernière.
Le dispositif de récupération de chaleur et d'ensemencement, 40, utilise l'énergie thermique des effluents gazeux provenant du brûleur secondaire 35 et récupère la chaleur résiduelle restant après que les effluents gazeux ont été utilisés pour élever la température du méthane dans le dispositif de décomposition thermique 12 La température des gaz de combustion au niveau de l'admission dans le dispositif de récupération 40 est d'environ 1700 K et la température d'échappement des gaz de combustion est d'environ 350 K Le débit des gaz de combustion dans le dispositif 40 est d'environ 28,2 kg/s, la récupération de l'ensemencement se fait à une vitesse d'environ 0,52 kg/s et le transfert de chaleur à la vapeur est d'environ 51 M Wth Le débit du dioxyde de carbone sortant via une canalisation 42 est de 27,68 kg/s Le montant de la chaleur transférée à la vapeur à partir des effluents gazeux de combustion dans le dispositif 40
est d'environ 90 M Wth.
Il faut comprendre que les exemples précédents peuvent être modifiés de diverses manières en utilisant différentes valeurs pour les débits et les températures, toutes correspondant aux paramètres généraux examinés. La fourniture d'un générateur M H D 30 utilisant du carbone, provenant de la décomposition thermique d'un gaz naturel, et de l'oxygène sensiblement pur est nouvelle. En se référant à la figure 2, on voit qu'un système
sensiblement le même que le système 10 est décrit.
Des numéros de référence identiques ont été utilisés pour identifier un équipement identique Le système 100 diffère du système 10 fondamentalement par l'absence du brûleur secondaire et la fourniture d'une installation de production de méthanol, 60 Le générateur M H D 30 est toujours utilisé en combinaison avec le dispositif de décomposition thermique 12 pour brûler du gaz naturel ou du méthane provenant d'une source de celui-ci, qui pénètre dans le dispositif de décomposition thermique 12 via une canalisation 11 Dans le système 100, puisque le brûleur secondaire et la cellule électrochimique sont omis, les effluents gazeux du générateur M H D sont principalement du monoxyde de carbone (la fabrique d'oxygène 18 produisant seulement environ un quart en plus d'oxygène) qui passe du dispositif de récupération d'ensemencement, 70, au dispositif de production de méthanol 60 Le dispositif de production de méthanol 60 reçoit le même montant de gaz d'hydrogène que la cellule électrochimique dans le système 10 En réduisant le débit de l'oxygène entrant, la stoechiométrie est d'environ 0,5, de telle sorte que le produit de la
combustion est essentiellement du monoxyde de carbone.
Dans le dispositif de décomposition thermique 12, le méthane pénètre avec un débit de 10 kg/s et une température de 300 K Le carbone sort avec un débit de 7,5 kg/s et à une température de 1500 K, tandis que les produits de la combustion traversent avec un débit de 17,95 kg/s, avec une température d'admission de 2400 K et une température d'échappement de 500 K Dans le brûleur 16, l'oxygène rentre avec un débit de 10,08 kg/s à une température de 300 K, car il n'y a pas de préchauffage, tandis que le débit du matériau d'ensemencement est de 0,38 kg/s, pour un débit total de
17,95 kg/s.
Le générateur M H D 30 fonctionne avec différents paramètres dans le système 100 par rapport au système Dans le système 100, le plasma est accéléré jusqu'à 1000 m/s (Mach 1,0) à l'entrée du générateur, la température statique d'admission étant de 2900 K et la pression étant de 27 atm Le champ magnétique maximum est compris dans le domaine allant d'environ 4 T à environ 6 T La température du plasma à la sortie du diffuseur est de 2400 K et la pression est de 1 atm Le rendement calculé du générateur M H D 30 est de 50 %, une puissance en courant continu de 22 M We étant
générée.
La fabrique d'oxygène 18 produit 10,09 kg/s d'oxygène pour le brûleur 16, à une température de 300 K et une pression de 50 atm Le débit d'air dans la fabrique 18 est de 43,29 kg/s Le dispositif de production de méthanol 60 fonctionne avec un débit d'admission du monoxyde de carbone de 17,59 kg/s et un débit d'admission de l'hydrogène de 2,5 kg/s, produisant
du méthanol avec un débit de 20,09 kg/s.
En se référant maintenant à la figure 3, un autre mode de réalisation de l'invention y est indiqué, dans lequel des numéros de référence identiques sont utilisés
pour identifier des éléments identiques d'équipement.
Dans le système 150, un générateur M H D 30 est aussi utilisé en combinaison avec un dispositif de décomposition thermique 12 pour brûler du carbone provenant d'une canalisation 13 et de l'oxygène provenant d'une fabrique d'oxygène 18, pour produire de la puissance en courant continu qui est transmise via une canalisation 33 à un onduleur 50 Dans le système , un brûleur secondaire 35 avec le dispositif de préchauffage d'oxygène 25 est utilisé entièrement comme décrit précédemment. La différence principale entre les systèmes 10 et est la fourniture d'un dispositif d'hydropyrolyse, , qui convertit du charbon provenant d'une source de charbon, 81, en méthane qui est transmis via une canalisation 1 i au dispositif de décomposition thermique 12 Une autre différence est qu'une portion du gaz d'hydrogène produit à partir du dispositif de décomposition thermique 12 est transmise via une canalisation 79 au dispositif d'hydropyrolyse 80 et qu'une autre portion est transmise via une canalisation 14 à la cellule électrochimique 15 D'une manière générale, le dispositif d'hydropyrolyse 80 fonctionne à une température d'environ 800-1400 K, 1000 K étant préféré Le dispositif 80 fonctionne aussi avec une pression comprise dans le domaine allant de 1 atm à environ 5 atm, la pression préférée étant comprise dans le domaine de 3-4 atm Pour 2 moles de gaz d'hydrogène produites, 1,65 mole d'hydrogène est transmise au dispositif 80 et 0,35 mole est transmise à la cellule électrochimique 15, réduisant par ce moyen le volume d'oxygène nécessaire pour faire fonctionner la cellule électrochimique 15 Le dispositif d'hydropyrolyse 80fonctionne avec les paramètres suivants: pour un débit de charbon de 8,0 kg/s à une température d'environ 550 K, le débit d'hydrogène exigé est d'environ 2,06 kg/s à une température d'environ 1400 K Le méthane produit à partir du dispositif 80 a un débit d'environ kg/s et une température d'environ 1100 K à environ 1200 K Dans le système 150, les exigences en oxygène à partir de la fabrique d'oxygène 18 sont inférieures à celles pour un système 10, le débit d'oxygène vers le générateur M H D 30 étant de 20,18 kg/s, le débit d'oxygène vers la cellule électrochimique 15 étant de 3,50 kg/s et le débit d'air étant de 101,71 kg/s De façon similaire, la cellule électrochimique 15 fonctionne de manière à produire moins de puissance, le débit d'hydrogène entrant est de 0,44 kg/s, le débit d'oxygène entrant est de 3,53 kg/s, la puissance de sortie est de 37 M We et le débit d'eau sortant est de 3,97 kg/s La chaleur transférée à la vapeur à partir de
la cellule électrochimique 15 vaut 15,75 M We.
Il doit être évident qu'un système général et un procédé général d'utilisation de méthane, à partir de diverses sources, et d'oxygène pur en conjonction avec un générateur M H D et peut-être une cellule électrochimique ont été décrits Divers paramètres de fonctionnement peuvent être employés et bien que quelques paramètres spécifiques du système aient été décrits, ils ne doivent en aucun cas être considérés comme limitatifs mais simplement comme illustratifs de l'invention.
Claims (20)
1 Procédé de conversion de l'énergie chimique du méthane en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique du méthane en hydrogène et en carbone dans un dispositif de décomposition ( 12) à une température non inférieure à environ 1200 K et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique; la transmission du carbone à un brûleur ( 16); l'introduction d'oxygène sensiblement pur et d'un matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium dans le brûleur ( 16) et leur maintien avec le carbone à une pression d'au moins environ 50 atmosphères pour brûler le carbone et l'oxygène et fournir un plasma ionisé ayant une température non inférieure à environ 3000 K; l'accélération du plasma ionisé jusqu'à une vitesse non inférieure à environ 1000 m/s et le transport de ce dernier à travers un générateur M H D ( 30) ayant un champ magnétique compris dans le domaine allant d'environ 4 tesla à environ 6 tesla pour générer de la puissance en courant continu; la décélération du plasma ionisé, son passage à partir du générateur M H D ( 30) selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane pour chauffer ce dernier pour le décomposer et par la suite la récupération de tout le matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium et son transport jusqu'au brûleur ( 16); et la conversion de la puissance en courant continu provenant du générateur
M.H D ( 30) en puissance en courant alternatif.
2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la décomposition du méthane a lieu à une température comprise dans le domaine allant d'environ 1200 K à environ 1500 K. 3 Procédé selon la revendication 2, dans lequel la décomposition du méthane a lieu à une pression comprise dans le domaine allant d'environ 5 atmosphères à environ atmosphères et le plasma ionisé est accéléré jusqu'à
une vitesse d'environ 2750 m/s.
4 Procédé selon la revendication 2, dans lequel la
décomposition du méthane a lieu à environ 10 atmos-
phères. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le
matériau d'ensemencement est un carbonate.
6 Procédé selon la revendication 5, dans lequel le
matériau d'ensemencement est le carbonate de césium.
7 Procédé selon la revendication 3, dans lequel les effluents gazeux provenant du générateur M H D ( 30) passent selon une relation d'échange de chaleur avec l'oxygène sensiblement pur avant que l'oxygène soit
introduit dans le brûleur ( 16).
8 Procédé selon la revendication 3, dans lequel le brûleur ( 16) fonctionne à une pression comprise dans le domaine allant d'environ 200 atmosphères à environ
500 atmosphères.
9 Procédé selon la revendication 7, dans lequel le brûleur ( 16) fonctionne à une pression d'environ 500 atmosphères et la température dans le brûleur ( 16) est d'environ 4500 K. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le plasma ionisé provenant du générateur M H D ( 30) est principalement du monoxyde de carbone, comprenant le transport du monoxyde de carbone à un dispositif de production de méthanol ( 60) et la combustion du monoxyde de carbone avec l'hydrogène provenant de la
décomposition du méthane pour produire du méthanol.
11 Procédé de conversion de l'énergie chimique du méthane en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend la décomposition thermique du méthane en hydrogène et en carbone dans un dispositif de décomposition ( 12) à une température non inférieure à environ 1200 K et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique; la transmission du carbone provenant de la décomposition du méthane à un brûleur ( 16) et de l'hydrogène provenant de la décomposition du méthane avec de l'oxygène à une cellule électrochimique ( 15) pour générer de la puissance en courant continu; l'introduction d'oxygène sensiblement pur et d'un matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium dans le brûleur ( 16) et leur maintien avec
le carbone à une pression d'au moins environ 200 atmos-
phères pour brûler le carbone et l'oxygène et fournir un plasma ionisé ayant une température non inférieure à environ 4000 K; l'accélération du plasma ionisé jusqu'à une vitesse d'environ 2750 m/s et le transport de ce dernier à travers un générateur M H D ( 30) ayant un champ magnétique compris dans le domaine allant d'environ 4 tesla à environ 6 tesla pour générer de la puissance en courant continu; la décélération du plasma ionisé, son passage à partir du générateur M H D ( 30) à un brûleur secondaire ( 35) auquel est ajouté de l'oxygène sensiblement pur pour brûler tout le monoxyde de carbone disponible; le passage des effluents gazeux provenant du brûleur secondaire ( 35) selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane pour chauffer ce dernier pour le décomposer et par la suite la récupération de tout le matériau d'ensemencement à base de césium ou de potassium et son transport jusqu'au brûleur ( 16); et la conversion de la puissance en courant continu provenant du générateur M H D ( 30) et de la cellule électrochimique ( 15) en puissance en
courant alternatif.
12 Procédé selon la revendication 11, dans lequel la décomposition du méthane a lieu à une température comprise dans le domaine allant d'environ 1200 K à environ 1500 K et à une pression comprise dans le domaine allant d'environ 5 atmosphères à environ
atmosphères.
13 Procédé selon la revendication 12, dans lequel la pression est d'environ 10 atmosphères et le matériau
d'ensemencement est le carbonate de césium.
14 Procédé selon la revendication 13, dans lequel l'oxygène transmis au brûleur ( 16) est chauffé jusqu'à une température d'environ 2000 K par le passage de 1 'oxygène selon une relation d'échange de chaleur avec le plasma décéléré sortant du générateur M H D ( 30). Procédé selon la revendication 11, dans lequel le brûleur secondaire ( 35) fonctionne à la pression ambiante et les effluents gazeux sortent du brûleur secondaire ( 35) à une température supérieure à environ
2200 K.
16 Procédé selon la revendication 15, dans lequel les effluents gazeux provenant du brûleur secondaire ( 35) ont une température d'environ 2600 K. 17 Procédé selon la revendication 11, dans lequel le brûleur ( 16) fonctionne à une pression d'environ 500 atmosphères et la température dans le brûleur ( 16) est d'environ 4500 K. 18 Procédé selon la revendication 11, dans lequel la cellule électrochimique ( 15) est une cellule électrochimique à oxyde solide ou une cellule
électrochimique à carbonate fondu.
19 Procédé selon la revendication 11, dans lequel le gaz de méthane est obtenu en partie par l'hydropyrolyse du charbon à une température comprise dans le domaine allant de 800 K à environ 1400 K. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'hydropyrolyse a lieu à une température d'environ
1000 K.
21 Procédé selon la revendication 19, dans lequel de l'hydrogène est présent dans un système fermé ( 80) durant l'hydropyrolyse et la pression du système est comprise dans le domaine allant d'environ 1 atmosphère à
environ 5 atmosphères.
22 Système de conversion de l'énergie chimique du méthane en énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de décomposition ( 12) pour décomposer thermiquement du méthane à une température zi non inférieure à environ 1200 K et à une pression au moins légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour former du carbone et du gaz d'hydrogène; un dispositif de combustion ( 16) pour brûler le carbone produit par la décomposition du méthane avec de l'oxygène sensiblement pur et un matériau d'ensemencement à base de potassium ou de césium pour produire un plasma ionisé ayant une température non inférieure à environ 2900 K; un générateur M H D ( 30) pour accélérer le plasma jusqu'à une vitesse non inférieure à environ 1000 m/s et ayant un champ magnétique compris dans le domaine allant d'environ 4 tesla à environ 6 tesla pour produire de la puissance en courant continu; un appareil d'échange de chaleur pour faire passer les gaz quittant le générateur M H D. ( 30) selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane pour chauffer ce dernier pour le décomposer; et un onduleur ( 50) pour convertir la puissance en courant
continu en puissance en courant alternatif.
23 Système selon la revendication 22, comprenant de plus une source d'oxygène sensiblement pur ( 18) et un dispositif de préchauffage d'oxygène ( 25) entre ladite source d'oxygène et ledit brûleur; une cellule électrochimique ( 15) reliée fonctionnellement audit dispositif de décomposition et à ladite source d'oxygène, pour recevoir de l'hydrogène provenant de la décomposition du méthane et de l'oxygène, pour produire de la puissance en courant continu pour la transmettre audit onduleur; et un dispositif de récupération de chaleur et d'ensemencement ( 40) pour récupérer la chaleur provenant des gaz M H D après qu'ils sont passés selon une relation d'échange de chaleur avec le méthane et pour récupérer le matériau d'ensemencement à base de potassium ou de césium dans lesdits gaz pour le
transporter audit dispositif de combustion.
24 Système selon la revendication 23, comprenant de plus un dispositif d'hydropyrolyse ( 80) pour convertir du charbon et de l'hydrogène en méthane; et des moyens ( 11) pour amener le méthane audit dispositif
de décomposition.
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Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
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| ITGE930001A1 (it) | 1994-07-15 |
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