Brevet FR2047010A1 — publié le 19710312

La présente invention a pour objet un procédé et une installation pour la gazéification et la combustion combinées de combustibles liquides, notamment dthuiles de chauffage minérales. on sait que les foyers à combustibles gazeux présentent toute une série d'avantages par rapport à ceux qui utilisent des combustibles liquides ou solides; ceci provient notamment du fait que la combustion d'un gaz est facilement réglable dans une plage importante, et peut avoir lieu sans excès d'air, ce qui se traduit par une perte minimale due aux gas brûlés. I1 nty a pas non plus autres pertes de combustion, ce qui permet d'obtenir des rendements maxima quant à la combustion proprement dite, et également pour ce qui est de l'exploitation de la chaleur produite lors de la combustion. D'une façon générale, on explique cette constatation que les combustibles gazeux sont- nettement supérieurs aux autres combustibles par le fait que > lors de la combustion de-combustibles liquides et solides, ceux-ci doivent tout d'abord entre transformés. en gaz dans la zone de combustion. Ce processus de transformation difficile n'existe pas avec une flamme de gaz où le gaz peut réagir directement avec l'oxygène de l'air comburant.Par exemple lors de la combustion d'huile de chauffage, celle-ci doit tout d'abord entre transformée par un apport de chaleur en gaz ou en vapeurs ce qui nécessite un transfert de chaleur à l'huile devant être brillée; cette chaleur est transférée par la flamme elle-meme et par la zone qui entoure celle-ci. L'absorption de chaleur est naturellement favorisée par une surface aussi grande que possible; cette grande surface est obtenue par une pulvérisation du combustible liquide en particules uniformes d'une grandeur minimale variant entre 20 et 200 microns. Ltaspect de la flamme elle-même dépend fortement de ce processus rapport de chaleur nécessaire à la gazéification, qui est accompagnée d'un craquage des hydrocarbures lourds.En effet, si le craquage a lieu plus rapidement que l'oxydation, il se forme des particules de carbone donnant lieu à une flamme éclairante. Par contre, lorsque l'oxydation se fait plus rapidement que le craquages on obtient une flamme non éclairante. La combustion de combustibles liquides dépend essentiellement de la température des particules et de rapport d'oxygène dans la flamme. On peut constater qurenviron 95% de la durée du séjour d'une gouttelette de combustible, depuis son entrée dans la chambre de combustion jusqutà sa combustion complète, sont utili sés pour la formation du mélange, tandis que la réaction chimique se déroule pendant les 5* seulement qui restent. I1 est donc possible d'intensifier la combustion des combustibles liquides par l'amélioration du mélange, par exemple par l'apport d'une forte énergie de mélange, par des dispositifs de refoulement, par une turbulence intense, par la conformation adéquate de la chambre de combustion, par recyclage, etc0.. Dlautres améliorations peuvent outre obtenues par un préchauffage déterminé de lthuile en vue de diminuer sa viscosité et d'obtenir ainsi des gouttelettes d'un faible diamètre au moment de la pulvérisation sous pression qui est effectuée dans la plupart des cas. I1 est également avantageux, dans certains cas, de préchauffer l'air comburant et de protéger la zone de combustion elle-mEme contre des pertes de chaleur excessives par radiation. On pratique déjà la transformation à grande échelle de combustibles liquides en combustibles gazeux pour la production de gaz de ville à partir d'huiles minérales ou de dérivés de pétrole, mais cette transformation nécessite des équipements coûteux, notam- ment des catalyseurs. On sait également produire du gaz de ville presque exclusivement sous forme de gaz de cokerie par la transformation de houille ayant une proportion relativement élevée de composants volatils au moyen d'an processus de distillation dans le four à coke; le coke ou houille dégazéifié doit ensuite outre écoulé, ce qui constitue un inconvénient.Bien que le gaz de ville présente un grand nombre dtavantagesa il nécessite cependant un important réseau de distribution dont les frais d'investissement et dtentretien sont considérables. Le but de l'invention est de transformer des combustibles liquides, notamment des huiles de chauffage minérales, immé- diatement avant leur combustion, en un gaz ou une vapeur, et de brûler le combustible sous cette forme, ou de le transformer en travail mécanique par des processus appropriés. Selon l'invention, ce résultat est obtenu par le fait que le combustible liquide est porté à une pression élevée, chauffé ensuite à une température relativement élevée, cette tempéra- ture devant être égale ou inférieure à la température de saturation qui correspond à la pression, qu'il gst ensuite détendu à l'état de vapeur surchauffée, puis introduit directement, sous cette forme, dans une chambre de combustion, ou utilisé dans un processus de transformation en travail mécanique. Selon un autre mode de réalisation du procédé suivant l'invention, l'énergie produite par la détente-du combustible est utilisée pour injecter la vapeur de combustible dans un brûleur et éventuellement pour aspirer de l'air comburant au moyen de pompes à Jet ou pour entraîner des groupes auxiliaires tels que des souffleries d'airs des pompes à combustible ou d'autres équipéments de l'installation. l'énergie produite lors de la détente est ainsi récupérée. Selon une autre particularité de ltinventions une partie de la vapeur de combustible produite est utilisée, par combustion, pour porter le combustible liquide à la température élevée nécessaire. Il est on outre possible d'échauffer le combustible liquide avec une partie de celui-ci, avec de l'huile légère, du gaz, ou également par un chauffage électrique. Les gaz brûlés sortant un dispositif de chauffage du combustible peuvent dans ce cas être amenés à un brflleur principal- ou à la chambre de combustion. Selon une autre particularité de l'invention, on prévoit une alimentation uniforme de combustible et de solutions aqueuses, dont les composants sont en mesure de lier les composants corrosifs du combustible, à la pompe destinée à augmenter la pression du combustible et pouvant être constitués par une pompe à engrenages ou une pompe centrifuge. Il est également compris dans le-cadre de l'invention d'utiliser le brtleur à gaz pour la combustion de la vapeur de combustible produite ou, selon les désirs, pour la combustion de gaz naturel, de gaz de raffinerie ou de gaz d'autres provenances. D'autres caractéristiques 'et - avantages de ltinvention ressortiront plus clairement- de la description qui- va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, ainsi que des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1-est un diagramme Mollier (T,s) de l'eau - la figure 2 est un diagramme Mollier (T,s) d'une huile de chauffage ; - 1 a figure 3 est un schéma d'une installation selon l'invention0 --Le diagramme représenté à-la figure 1 montre l'entropie s en abscisse et la température T en ordonnée.Les courbes repré- sentant l'entropie en fonction de la température ont normalement la forme d'une cloche lorsqu'il s'agit de liquides; plus précisément, la courbe limite gauche a généralement la forme d'une parabole qui s'étend d'un point situé à gauche et en bas vers la droite en montant, jusqu'au point culminant K appelé "point critique", tandis que la courbe limite droite s'étend vers la droite en descendant en forme de S à partir du point culminant. Le liquide est à l'état de vapeur (teneur en vapeur X = 1) dans la courbe limite droite, tandis que la courbe limite gauche représente les rapporte entre la température et l'entropie à l'etat liquide (teneur en vapeur X = 0).Le diagramme montre la courbe limite X = 0 et X = 1 d'un liquide normal ayant le point critique K, dans lequel la phase liquide se transforme en phase vapeur. Une détente adiabatique-isentropique du liquide, de l'état représenté par le point 1, sous la pression P1, à la pression P2, donne l'état représenté par le point 2, dans lequel une partie se présente sous forme de vapeur et une autre sous forme de liquide. Lorsque de la vapeur doit être produite d'après un tel procédé, il faut séparer la vapeur du liquide après la détente, et le liquide doit de nouveau être comprimé, échauffé et détendu, qui nécessite une installation très importante et compliquée. Les hydrocarbures liquides ont, par contre, le plus souvent, une courbe limite "en surplombs, ce qui veut dire que la courbe limite droite ne s'étend pas vers la droite à partir du point critique, mais vers la gauche dans le sens dtune entropie plus faible. Cette particularité a été confirmée par des essais et elle offre une possibilité particulièrement heureuse pour la transformation complète des hydrocarbures liquides en vapeur Lorsqu'un liquide ayant une courbe limite normale en forme de cloche est détendu à partir de l'état liquide à une contre-pression plus faible, on obtient un mélange liquide-vapeur dont la plus petite partis est généralement formée par la vapeur et la plus grande par le liquide. Certains hydrocarbures ayant une courbe limite droite supérieure en surplomb permettent une transformation simple de l'ensemble du liquide en vapeur au moyen d'une détente. Lors de la détente à partir de l'état liquide, à une pression et-une température déterminées, la zone entre la courbè limite gauche et la courbe limite droite est traversée très rapidement, la détente étant à peu près adiabatique-isentropique, et le combus tible est surchauffé lorsque la détente est poursuivie. La figure 2 représente schématiquement le diagramme Mollier (T,s) d'une huile de chauffage ayant les courbes limites I = O et X = 1. L'huile est portée, de l'état représenté par le point 1, à la température du point 2, le long de la courbe limite gauche (l = O). L'huile est alors sous une pression supérieure à la pression de saturation correspondant à la température T2, de sorte qutune évaporation ne peut pas se produire pendant cet échauffement. k partir de l'état représenté par le point 2, l'huile est détendue à la pression p3 de la chambre de combustion par l'intermédiaire d'une buse; la détente sans perte s'effectue le long de la ligne 2-3', tandis que la détente avec pertes steffectue suivant la ligne 2-3. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, 11 huile de chauffage doit donc être portée à la pression désirée par une pompe, de préférence par une pompe à engrenages ou centrifuge, et elle doit ensuite être échauffée à une température relativement élevée. L'échauffement du combustible jusqu'à des températures de 400 à 600'C, donc à une température qui est nettement supérieure à celle appliquée jusqu'à présent pour le chauffage de l'huile, ne présente pas de problèmes teehniques, quoique des précautions particulières soient à prendre.Par suite de cette détente du combustible dans une buse, la chute de pression isentropique est presque entièrement transformée en énergie cinétique, et cette transformation est accompagnée d'une diminution correspondante de la température. A la fin de l'expansion, le gaz est encore à l'état surchauffé et à une température élevée; dans cet état, il est directement envoyé dans un foyer ou à un ou plusieurs brûleurs. Sans mesures supplémentaires, le procédé selon l'invention ne convient pas pour un transport, avec refroidissement, sur des distances importantes; autrement dit, il il ne convient pas, par exemple, pour la production de gaz de ville puisque, lors du refroidissement de la vapeur de combustible et en raison de la pression constante (isobare} la courbe limite droite est de nouveau atteinte, de même que, après le prélèvement de ra chaleur d'évaporation, la courbe limite gauche est atteintes de sorte que lthuiLe redevient liquide.Après la détente à partir de l'état liquide, la vapeur de combustible présente, à la fin de la détente, une vitesse élevée qui correspond à la formule c = 91,5 si la détente est isotropique. Cette vitesse élevée peut entre exploitée de différentes façons, il est également possible de détruire l'énergie cinétique par étranglement. il s'agit dans ce cas d'un processus d'étranglement dans lequel l'enthalpie globale reste constante. La destruction de lténergie cinétique est alors liée à une remontée correspondante de la température statique. L'énergie cinétique peut également être utilisée pour introduire la vapeur de combustible sous une impulsion élevée dans le brû- leur, afin d'agir ainsi sur la combustion. il est aussi possible d'utiliser cette énergie pour produire un tourbillonnement intense avec l'air comburant et améliorer ainsi également la vitesse de combustion. Enfin, une façon élégante de mise en valeur de l'éner- gie consiste à transformer la chute de pression lors de la détente en travail mécanique, c'est-à-dire à monter une turbine à gaz entraînée par la vapeur de combustible derrière la buse de détente. Cette turbine peut en l'occurence être de construction relativement simple, puisque la chute de pression dans la zone de la turbine est faible et que des rendements modestes sont parfaitement acceptables. De préférence, on utilise à cet effet une turbine à un étage ou encore, dans certaines circonstances, une turbine centripète, une turbine d'action à un étage ou une roue en C à plusieurs couronnes. On obtient alors un gain supplémentaire d'énergie qui peut être considérable lorsqu'il s'agit ilinstallations de grandes chaudières industrielles. Pour une grande chaudière moderne fonctionnant à l'huile destinée à un groupe turbo-générateur de 300 MW, on peut obtenir un gain de puissance d'un ordre de grandeur de 2000 à 3000 kW, ce qui correspond à une amélioration du rendement thermique global d'environ 1%. il est à noter que ce procédé de production d'énergie par gazéification au moyen d'une détente n'entraîne aucune part d'énergie, puisque toute la chaleur des gaz brûlés est retransmise au brûler ou au foyer. La figure 3 est une représentation schématique de de ltensemble d'une installation selon l'invention. Elle comporte un réservoir intermédiaire 10 pour l'huile de chauffage, une soupape de régulation 11, un régulateur 12, une pompe 13 pour l'augmentation de la pression - pouvant être formée par une pompe à engrenages ou centrifuge - un filtre principal 6 et un filtre fin 9. Le combustible liquide est chauffé par un dispositif de chauffage 14 qui peut être du type à circulation forcée. Après avoir quitté ce dispositif de chauffage 14, le combustible parvient dans une turbine de détente 15 > pouvant éventuellement être remplacée par une tuyère à effet giratoire. La vapeur de combustible entre ensuite dans la chambre de combustion 16 ou dans une chaudière. A la place de la chaudière, on peut également prévoir, à ce point de l'installation, un processus dans lequel l'énergie est transformée en énergie mécanique. Les gaz brûlés peuvent s'échapper à travers le conduit 1 7 L'installation comporte en outre un compresseur pas qui reçoit de l'air atmosphérique å travers un conduit 19 et qui introduit cet air, après compression, à travers le conduit 20, dans la chambre de combustion 16 ou dans une chaudière. Il est avantageux de préchauffer l'huile de chauffage dans le réservoir intermédiaire 10 afin d'assurer que l'huile présente une viscosité minimale. 21 désigne une machine synchrone, 22 un séparateur et 23 un mécanisme à rapport de transmission. REVENDICATIONS 1 / Procédé pour la gazéification et la combustion com binées de combustibles liquides tels que des huiles de chauffage minérales, caractérisé en ce que le combustible liquide est porté à une haute pression, chauffé ensuite à une température relativement élevée, cette température devant être égale ou inférieure à la température de saturation qui correspond à la pression, en ce qu'il est ensuite détendu á l'état de vapeur surchauffée, puis introduit directement, sous cette forme, dans une chambre de combustion, ou utilisé dans un processus de transformation en travail mécanique. 2Qj Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie e produite par la détente du combustible est utilisée pour injecter la vapeur de combustible dans un brûleur et, éventuellement, pour aspirer de l'air comburant au moyen de pompes à jet ou pour entraîner des groupes auxiliaires, tels que des souffleries d'air, eds pompes à combustible, ou d'autres équipements de l'installation l'énergie produite lors de la détente étant donc ainsi récupérée. 30/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une partie de la vapeur de combustible produite est utilisée, par combustion, pour porter le combustible liquide à la température élevée nécessaire. 4 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la vapeur de combustible produite est utilisée, avec cession d'une partie de sa chaleurs pour le préchauffage du combustible liquide. 5 / procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à na caractérisé en o-e que le le chauffage du combustible liquide s'effectue aven une partie de ce combustible liquide, avec de l'huile légère, avec du gaz ou au moyen d'un chauffage électrique. 6 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les gaz brûlés sortant du dispositif de chauffage du combustible sont amenés au brûleur principal ou à la chambre de combustion 7V procédé selon l'une quelconque des revendications a a 62 caractérise en ce que le combustible et des solutions aqueuses, dont les composants sont en mesure de lier les compo sants corrosifs du combustible, sont amenés à-la pompe destinée à augmenter la pression du combustible. 8 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la vapeur de combustible est amenée à plusieurs brdleurs montés dans une chambre de combustion commune et pouvant autre mis en service ou arrStés selon les désirs. 90/ Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ou les brûleurs pour la combustion de la vapeur de combustible produite peuvent également fonctionner avec du gaz naturel, du gaz de raffinerie ou avec des gaz d'autres provenances. 100/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le chauffage du combustible liquide steffectue dans un dispositif de chauffage à circulation forcée. 11 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caratérisé en ce que la combustion s'effectue sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, et en ce que la détente des produits de combustion s'effectue, après eession d'une partie de leur chaleur, par exemple, à un autre dispositif d'en- traînement, dans une turbine entraînée par les gaz brftlés, le passage à travers cette turbine pouvant être suivi par un nouveau refroidissement des produits de combustion ou gaz brûlés. 12 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, carâctérisé en ce que la combustion est stoechiométrique. 130/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage du combustible et la chambre de combustion ou le ou les brûleurs sont réunis pour former un ensemble. 14 / Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la puissance de la turbine à gaz entraînée par la vapeur de combustible est utilisée pour ltentraînement de dispositifs auxiliaires de l'installation de combustion et/ou de l'installation de production de vapeur, la turbine d'entraînement étant accouplée à une machine élo-ctrique, de préférence à une machine synchrone tournant à une vitesse de rotation constante et servant à la conduite de l'installation, la puissance excédentaire pouvant également être transformée en énergie électrique, d'autres machines auxiliaires, telles que des souffleries pour l'air frais etjou l'aspiration ou des pompes à combustible étant entraînées par l'intermédiaire d'un accouplement de régulation, par exemple un convertisseur de couple de rotation. 15 / Procédé selon l'une quelconque des revendications t à 14, caractérisé en ce que des composants indésirables de la tapeur de combustible sont séparés par filtration ou; de prOfé- rence, liés par des additifs, éventuellement en présence de catalyseurs, de sorte que, par exemple, le pentoxyde de vanadium V2O5 est lié par l'oxyde de magnésium MgO. 160/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caratérisé en ce que la détente du combustible surchauffé et s'évaporant s'effectue non pas dans une turbine de détente mais dans une tuyère à effet giratoire. 170/ Procédé selon ltune quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'air comburant, de préférence l'air primaire, est chauffé à tel point que la température du mélange de vapeur de combustible et d'air comburant ntest pas inférieure à la température de saturation de la vapeur de combustible. les Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce quelle se compose d'un réservoir d'huile de chauffage, dtune pompe pour l'augmentation de la pression qui est montée à la suite de ce réservoir, d'un dispositif de chauffage du combustible et d'une turbine de détente suivie par une chambre de combustion dans laquelle est introduit, à travers un conduit, de l'air comprimé par un compresseur.