Brevet FR2353709A1 — publié le 19771230

L'invention se rapporte à un procédé et à une installation permettant de récupérer la chaleur de gaz chauds ainsi que leur épuration. La récupération de la chaleur totale, c'est-à-dire de la chaleur latente augmentée de la chaleur de condensation, des gaz chauds libère de l'énergie qui sera avantageusement en partie mécanique ou électrique, et en partie sous forme d'eau chaude utilisable industriellement ou pour le chauffage. L'invention peut s'appliquer à de nombreux domaines de l'industrie, notamment pour le refroidissement et l'épuration des fumées libérées par les centrales et les fours industriels. Elle s'applique également à de nombreux autres domaines tels que cimenterie, cokerie, industrie métallurgique. De façon générale elle permet de récupérer la chaleur de produits portés à température élevée dans une installation et qui doivent être refroidis avant leur sortie de l'installation0 L'invention permet de résoudre le problème de pollutions thermiques et chimiques et simultanément de récupérer de l'énergie noble. Le procédé conforme à l'invention permettant de récupérer la chaleur de produits portés à température élevée, en particulier supérieure à 500 C, dans une installation et que l'on veut refroidir avant leur sortie de l'installation se caractérise en ce qu'on utilise un gaz caloporteur qui transporte au moins une partie de ladite chaleur à récupérer et qu'on fait circuler ledit gaz dans une installation de récupération d'énergie en créant une aspiration en un point du circuit de circulation permettant, en un autre point du circuit situé en amont par rapport audit point d'aspiration, de faire travailler le gaz en détente dans une turbine dans laquelle le gaz détendu travaille et dans laquelle sa température diminue, et en ce qu'on utilise une partie de l'énergie récupérée dans ladite turbine pour entrainer les moyens qui créent ladite aspiration. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention on effectue dans différents échangeurs thermiques de l'installation des opérations de refroidissement et d'épuration du gaz caloporteur entre ladite turbine de détente et lesdits moyens d'aspiration. Xorsquton procède de cette façon, et comme il apparattra plus loin à l'aide de la description d'un exemple de mise en oeuvre, on constate qu'on peut abaisser à la température souhaitée le gaz caloporteur en réalisant une épuration du gaz et en libérant de l'énergie à la fois sous forme mécanique, par exemple électrique, et sous forme thermique, par exemple en produisant de l'eau chaude. L'invention se rapporte également à une installation permettant de récupérer la chaleur de produits portés à température élevée, en particulier supérieure à 5000G, dans cette installation et que l'on veut refroidir avant leur sortie de l'installation, et permettant d'autre part de résoudre les problèmes de pollutions thermiques, physiques et chimiques liés à toute installation industrielle, cette installation se caractérisant selon l'invention en ce qu'on établit un circuit de circulation itun gaz caloporteur qui transporte au moins une partie de ladite chaleur à récupérer en le faisant circuler dans ledit circuit entre des moyens d'aspiration voisins de l'extrémité de sortie dudit circuit et une turbine de détente voisine de l'extrémité d'entrée dudit circuit, une partie de I1 énergie mécanique recueillie dans ladite turbine de détente servant à entraîner lesdits moyens d'aspiration, et des échangeurs de chaleur étant prévus en différents points du circuit entre ladite turbine de détente et lesdits moyens d'aspiration. L'invention apparaîtra plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence au dessin annexé illustrant le schémad'une installation conçue selon l'invention. En se reportant au schéma on a schématisé en 1 une installation industrielle, qui peut être de n'importe quel type produisant en un endroit et en un moment quelconques du processus industriel mis en oeuvre, des produits chauds, les produits finis et les rejets devant être refroidis avant leur sortie de 1' installation. Ainsl l'installation peut etre un four industriel ou une centrale thermique dont les produits chauds sont alors constitués par les fumées. Il peut s'agir également par exemple d'une verrerie, les produits chauds étant constitués par les produits de la combustion et les fumées circulant dans les fours de verrerie. il peut s' agir d'une cimenterie, les produits chauds étant constitués par le ciment en cours de cuisson dans les fours rotatifs. il peut également s'agir d'une cokerie, dont les produits chauds sont constitués par le coke sortant incandescent des fours. Il peut également s'agir d'une installation métallurgique ou sidérurgique, les produits chauds étant constitués par les métaux et aciers en fusion. Dans tous ces exemples d'application, et de manière générale sans limitation d'application, les produits chauds pourront être refroidis par un gaz caloporteur adapté aux produits traités, par exemple gaz neutre ou fumées (essentiellement azote plus gaz carbonique) pour le refroidissement du coke, ou seront constitués par les fumées ou les rejets gazeux chauds, par exemple d'un four industriel ou d'une turbine à gaz ou à vapeur. Le gaz chaud caloporteur sortant de l'installation 1, qu'il s'agisse de fumées qui seront rejetées à l'atmosphere après refroidissement et épuration, ou qu'il s'agisse d'un gaz caloporteur qui sera recyclé, est entraîné dans un circuit 2 sur lequel rencontre successivement selon le schéma illustré un filtre préliminaire 3, une turbine de détente 4, un échangeur de chaleur 5, un premier épurateur-échangeur de chaleur 6, un second épurateuréchangeur de chaleur 7, des moyens d'aspiration 8 dits "exhausteur" puis un échangeur de chaleur 9. Le gaz caloporteur est alors soit évacué comme illustré en 10 à l'atmosphère, soit recyclé comme indiqué par les traits interrompus tl à l'entrée de l'installation t. On décrira maintenant plus en détails les diverses parties de l'installation et leur fonctionnement. Le gaz caloporteur sort de l'installation 1 à une température de préférence supérieure à 500oc, température à partir de laquelle le rendement de l'installation devient très satisfaisant. Le gaz caloporteur est mis en circulation dans le circuit 2 grâce aux moyens dtasspiration 8 qui créent une dépression relative importante. Par exemple les gaz sortent de 1' installation 1 à une pression voisine de la pression attosphérique et peuvent Btre aspirés à l'entrée 8a des moyens 8 sous une pression de l'ordre de la moitié ou du tiers de la pression atmosphérique. le gaz caloporteur subit d'abord dans le filtre 3 un premier dépoussiérage grossier, le type du dépoussiéreur étant adapté au gaz caloporteur mis en circulation dans le circuit 2. La turbine de détente 4 est avantageusement d'un type comportant un premier étage 4a radial ou centripète et un second étage 4b axial. Dans le premier étage 4a seront séparées par centrifugation la plupart des particules solides et/ou liquides contenues dans le gaz caloporteur 2. Ces particules pourront être ainsi facilement éliminées comme schématisé en 12. Dans l'exemple supposé où le gaz caloporteur sort à 5000C de l'installation 1 et en supposant une pression d'aspiration à entrée 8a de l'exhausteur 8 de l'ordre de 300g/cm2, la pression à l'entrée de la turbine 4 étant voisine de la pression atmosphérique, les gaz chauds travaillent dans la turbine 4 en produisant de 11 énergie mécanique et en abaissant leur température.L'énergie mécanique recueillie sur l'arbre de la turbine 4 sert à entratner par l'arbre 13 les moyens d'aspiration 8, le surplus servant à entraîner par l'arbre 14 un alternateur 15 qui fournit de l'énergie électrique recueillie en 16. les gaz détendus et partiellement refroidis traversent après la turbine 4 l'échangeur de chaleur 5 dans lequel ils cèdent une partie de leur chaleur latente en servant à réchauffer de l'eau froide prise sur un réseau d'alimentation 17 pour former de l'eau chaude rejetée à un réseau de distribution 18. lors de la traversée 19 de l'échangeur 5 l'eau peut ainsi être chauffée par exemple de 10-300C à 80-90 C, la chaleur du gaz caloporteur tombant par exemple à 1500C à la sortie de l'échangeur 5. les gaz caloporteurs traversent alors l'épurateur-échangeur de chaleur 6 qui est avantageusement du type à lavage par contact direct. ;'importe quel fluide compatible avec la nature du gaz caloporteur peut être utilisé dans cet échangeur, et par exemple de la paraffine. L'épurateur 6 peut être de tout type approprié, par exemple à remplissage d'anneaux Raschig. le fluide d'échange, par exemple de la paraffine est mis en circulation par une pompe 20 et abandonne dans un échangeur 21 la chaleur récupérée par contact avec le gaz caloporteur à la traversée de l'échangeur 6. Le laveur 6 comprend avantageusement à sa base un étage de régénération 6a dans lequel la paraffine ou tout autre fluide d'échange utilisé est débarrassée des impuretés retenues sur le gaz caloporteur et qui sont éliminées en 22.L'échangeur 2t permet de réchauffer en 23 de l'eau en la portant suivant les besoins, soit à la température du réseau de distribution 18, soit 80-900C dans l'exemple envisagé, soit à une température plus basse, par exemple à 40-5000 d'un réseau de distribution intermédiaire 24. Le gaz caloporteur subit après le premier laveur 6 un second lavage dans un laveur 7 par exemple à eau. L'eau est mise en circulation par une pompe 25. Le laveur 7 qui peut être d'un type analogue à celui du laveur 6 comprend avantageusement à sa base un étage régénérateur 7a dans lequel sont éliminées les impuretés éventuelles restantes dans le gaz caloporteur et sont éventuellement récupérées les traces de fluide d'échange, tel que paraffine utilisée dans l'épurateur précédent 7. Ces produits récupérés aont éliminés en 26. En outre dans cet échangeur est récupérée la plus grande partie de la chaleur de condensation du gaz caloporteur, laquelle peut etre importante, en particulier s'il s'agit de fumées de combustible d'un gaz naturel. les gaz caloporteurs sont alors aspirés à une température de l'ordre de 200C à l'entrée 8a des moyens d'aspiration 8. La recompression, de la pression d'aspiration, par exemple un tiers d'atmosphère à la pression de refoulement, de l'ordre de une atmosphère à la sortie 8b de l'exhausteur réchauffe les gaz caloporteurs. Les gaz ainsi réchauffés traversent l'échangeur de chaleur 9 dans lequel ils abandonnent en 27 une partie de leur chaleur avant d'être rejetés à l'atmosphère en 10 ou recyclés en 11 dans l'installation industrie11e 1.L'échangeur de chaleur 9 permet dans le circuit 28 de produire de liteau chaude à la température du réseau de distribution 18, selon les besoins, soit à partir d'une alimentation à moyenne température du réseau 24 ou selon une alimentation à basse température du réseau 17. On remarquera que les moyens d'aspiration 8 fonctionnent comme une pompe à chaleur. le bilan global de 1' installation est largement excédentaire en énergie car le débit massique du gaz caloporteur est sensiblement constant (aux pertes près) dans le circuit 2. Cependant le débit volumique est bien plus important à la turbine 4 qu'aux moyens d'aspiration 8, étant donné que les gaz sont admis chauds vers 5000C dans exemple envisagé à la turbine 4 et sont aspirés froids vers 200C dans l'exemple envisagé à l'exhausteur 8. En outre l'installation de récupération d'énergie décrite permet d'éviter toute pollution thermique, physique et chimique, répondant parfaitement aux soucis industriels actuels. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au procédé et à l'installation qui viennent d'être décrits, l'invention comprenant tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. Ainsi en particulier l'invention peut être appliquée aux échappements de moteuPlthermiques et notamment de turbines à gaz, et de cycles à vapeur. Egalement on peut prévoir dans le cas d'un gaz caloporteur pas très chaud, et pour faciliter le démarrage de l'installation, l'adjonction de brdleurs pour réchauffer le gaz caloporteur à son entrée du circuit 2. R B V 3 N D I C A D I O N S REVEND lC Â T iONS 1 - Procédé permettant de récupérer la chaleur de produits portés à température élevée dans une installation et que l'on veut refroidir avant leur sortie de l'installation, ledit procédé étant caractérisé en oe qu'on utilise un gaz caloporteur qui transporte au moins une partie de ladite chaleur à récupérer et qu'on fait circuler ledit gaz dans une installation de récupération d'énergie en créant une aspiration en un point du circuit de circulation permettant, en un autre point du circuit situé en amont par rapport audit point d'aspiration, de faire travailler le gaz en détente dans une turbine dans laquelle le gaz détendu travaille et dans laquelle sa température diminue, et en ce qu'on utilise une partie de l'énergie récupérée dans ladite turbine pour entratner les moyens qui créent ladite aspiration. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue dans différents échangeurs thermiques de l';nstalla- tion des opérations de refroidissement et d'épuration du gaz caloporteur entre ladite turbine de détente et lesdits moyens d'aspiration. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait travailler le gaz caloporteur en circuit ouvert, rejetant ledit gaz à l'atmosphère après recompression, de la pression d'aspiration créée audit point d'aspiration à une pression sensiblement équivalente à la pression atmosphérique. 4 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'on fait travailler le gaz caloporteur au moins en partie en circuit fermé en recyclant au moins en partie ledit gaz dans ledit circuit de circulation après recompression, de la pression d'aspiration créée audit point d'aspiration à une pression sensiblement équivalente à la pression dlsadmisseion du gaz dans ledit circuit. 5 - Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur libérée par la recompression du gaz caloporteur de ladite pression d'aspiration à la pression déjection du gaz à l'atmosphère ou de réintroduction du gaz dans le circuit. 6 - Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise un taux de recompression qui n'est pas inférieur à 2 et de préférence à 3. 7 - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on effectue dans la turbine de détente précitée une épuration par centrifugation du gaz caloporteur. 8 - Installation permettant de récupérer la chaleur de produits portés à température élevée, en particulier supérieure à 5000C, dans cette installation et que l'on veut refroidir avant leur sortie de l'installation, et permettant d'autre part de résoudre les problèmes de pollutions thermiques, physiques et chimiques liés à toute installation industrielle, caractérisée en ce qu'on établit un circuit de circulation d'un gaz caloporteur qui transporte au moins une partie de ladite chaleur à récupérer en le faisant circuler dans ledit circuit entre des moyens d'aspiration voisins de l'extrémité de sortie dudit circuit et une turbine de détente voisine de l'extrémité d'entrée dudit circuit, une partie de l'énergie mécanique recueillie dans ladite turbine de détente servant à entralner lesdits moyens d'aspiration. 9 - Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que des échangeurs de chaleur sont prévus en différents points du circuit entre ladite turbine de détente et lesdits moyens d'aspiration. 10 - Installation selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisée en ce que l'installation comprend des échangeurs de chaleur du type à lavage par liquide, par exemple à eau et/ou à paraffine, 11 - Installation selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisée en ce qu'un échangeur de chaleur est prévu sur le circuit en aval desdits moyens d'aspiration. 12 - Installation selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce que la turbine de détente comporte un premier étage du type radial ou centripète assurant la séparation des particules lourdes contenues dans le gaz caloporteur à l'entrée du circuit, 13 - Installation selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que le gaz ealoporteur est constitué par les rejets gazeux d'une turbine à gaz. 14 - Installation selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que le gaz caloporteur est constitué par les fumées de fours industriels, tels notamment que verrerie. 15 - Installation selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que le gaz caloporteur est constitué par un gaz d'échange de chaleur servant à refroidir des produits chauds fabriqués industriellement et notamment du coke.