Brevet FR2370249A1 — publié le 19780602

La présente invention concerne un procédé d'alimentation en chaleur de processus technologiques se déroulant en enceinte fermée, ainsi qu tut appareil de mise en oeuvre dudit procédé. Ainsi qu'il est connu, de l'énergie électrique est produite dans des centrales modernes fonctionnant avec condensation pour une consommation thermique spécifique de 2400 à 3000 kcal/kWh. La consommation thermique spécifique de centrales à vapeur fonctionnant avec contre-pression est de l'ordre de 1200 kcal/kWh. I1 faut cependant également compter, dans le cas des deux types de génération d'énergie, avec une perte considérable, qui est provoquée par la chaleur perdue s 'échappant à température relativement élevée. L'objet de l'invention consiste en une nouvelle diminution de la consommation thermique spécifique nécessaire à la production d'énergie, et en particulier en l'utilisation de la chaleur perdue pour un rendement satisfaisant. Selon le concept fondamental de l'invention, l'air et les gaz de combustion, qui ont été utilisés jusqu'ici, dans le cas des technologies classiques, uniquement en vue de la génération de chaleur et de la délivrance de chaleur (chauffage), sont également utilisés en tant qu'agent de travail de processus thermodynamiques. L'énergie mécanique est ensuite convertie en énergie électrique, qui peut etre utilisée dans un large secteur. La chaleur perdue est rendue utilisable par le fait qu'elle est employée soit pour satisfaire le besoin en chaleur, dans le cas de processus technologiques se déroulant en enceinte fermée, soit est utilisée, après satisfaction des besoins en chaleur du processus technologique, en vue de la production d'énergie. Par conséquent, deux aspects différents de la même idée inventive peuvent etre distingués en vue de la solution du même problème. La caractéristique du premier aspect consiste en ce que, dans l'enceinte fermée dans laquelle se déroule le processus technologique, du carburant est amené et celui-ci, selon l'invention, est brûlé avec un gaz de combustion contenant un excédent d'air.Selon l'autre aspect, au lieu de gaz de combustion avec air excédentaire, on utilise plutôt de l'air comprimé en vue de la combustion du carburant introduit dans l'enceinte fermée, les nouveaux gaz de combustion en résultant, qui se dégagent dans l'enceinte fermée, étant détendus avec délivrance d'énergie. Des calculs montrent que grâce au procédé de l'invention, en gros 1000 kcal/kWh de consommation thermique spécifique peuvent etre obtenues. Cette valeur représente pratiquement uniquement un tiers de la consommation thermique de centrales à condensation de performances satisfaisantes, ce qui d'une part doit être attribué au rendement de combustion accru, d'autre part à la consommation réduite, mais surtout au fait que le vecteur thermique est également utilisé en tant qu'agent de travail. Le procédé selon l'invention peut etre mis en oeuvre à l'aide d'un appareil qui est équipé, de manière en soi connue, d'un four et d'une machine à combustion interne. Selon l'invention, l'admission d'air comburant du four est reliée au tuyau d'échappement de la machine à combustion interne. Dans le cas du deuxième type précité de procédé selon l'invention, on utilise de façon appropriée un appareil qui comporte également un four et une machine à combustion interne, dans lequel cependant le four se trouve entre la turbine à gaz et son compresseur. Les deux formes de réalisation de l'appareil selon l'invention présentent-l'avantage d'une structure extraordinairement simple, de telle sorte qu elles permettent en même temps de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention avec un rendement satisfaisant. D'autres particularités de l'invention seront expliquées à l'aide des dessins annexés dont les figures 1 à 6 re- présentent schématiquement six exemples de réalisation différents de l'appareil de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Des numéros de référence identiques désignent sur les dessins des particularités analogues. Sur les dessins, la référence 10 désigne une turbine à gaz, comme ceci ressort de la figure 1. D'autres constituants de la turbine à gaz 10 sont un compresseur 12 et une chambre de combustion 14. L'arbre d'entraînement de la turbine à gaz 10 est relié à un générateur électrique 16. La tubulure d'admission du compresseur 12 est désignée par 18. La tubulure d'échappement 20 du compresseur 12 est reliée, par l'intermédiaire d'une canalisation 22, à la chambre de combustion 14, qui est reliée, d'une part par l'intermédiaire d'une canalisation 24, à une réserve de carburant non représentée, et par l'intermediaire d'une canalisation 26 à la tubulure d'admission 10a de la turbine à gaz 10. La tubulure d'échappement lOb de la turbine à gaz 10 est reliée, par l'intermédiaire d'une canalisation 28, à la tubulure d'admission 32 pour l'air de combustion d'un four 30, qui forme une enceinte fermée dans le contexte de l'invention. La tubulure d'admission du carburant du four 30 est désignée par 34. Le carburant est amené par l'intermédiaire d'une canalisation 36. Les produits de combustion et de réaction apparaissent dans le four s'échappant par l'intermédiaire d'une tubulure d'échappement 38 et d'une canalisation 40. Les endroits où le produit à traiter pénètre dans le four 30 ou le quitte, sont désignés par 42, 44, respectivement. La forme de réalisation, représentée sur la Figure 1, du dispositif selon l'invention opère de la façon suivante l'air arrivant (flèche en pointillés A), par l'intermédiaire de la tubulure d'admission 18, au compresseur 12, parvient, après compression, par l'intermédiaire de la canalisation 22, dans la chambre de combustion 40. Là, l'air comprimé est brûlé avec le carburant (flèche épaisse B), arrivant par la canalisation 24, après quoi un-gaz de combustion avec un excédent d'air (flèche mince C) en résulte,qui se détend dans la turbine à gaz 10. La turbine à gaz 10 est en effet dimensionnée de sorte qu'après le cycle s'y déroulant, la teneur en oxygène des gaz de combustion s'échappant suffit à couvrir le besoin en oxygène de la combustion dans le four 30, compte tenu de l'excédent d'air nécessaire en règle générale.Dans la chambre de combustion 14, on brûle par contre beaucoup de carburant de sorte que la température des gaz de combustion en résultant correspond à la température de détente maximale permise pour la turbine à gaz 10. Il faut également empêcher par choix approprié du carburant que les produits de combustion, qui résultent de la combustion du carburant dans la chambre de combustion 14, n'exercent aucune action néfaste sur le processus technologique dans le four 30. Ainsi, les gaz de combustion s'échappant de la turbine à gaz 10 contiennent encore une quantité considérable d'oxygène. La température maximale permise pour la turbine à gaz 10 est en effet d'environ 700 à 8000C, c'est-à-dire sensiblement plus faible que la température de combustion théorique du carburant brûlé sans excédent flair. La detente des produits de combustion, pénétrant dans la turbine à gaz 10 sous pression et température élevées, fournit le travail du cycle thermodynamique se déroulant dans la turbine à gaz, de telle sorte que ce travail sert d'une manière en soi connue, partiellement à la couverture du besoin en énergie du compresseur 12, et en partie est converti en énergie électrique dans le générateur 16 entraîné par la turbine à gaz 10.La pression finale de la détente est réglée, de sorte qu'après détente, la pression des produits de combustion (c'est-à-dire des gaz de combustion) s'échappant de la turbine à gaz 10 correspond à cette pression qui est nécessaire à la combustion du carburant pénétrant par l'intermédiaire de la tubulure d'admission 34 du four 30. l'air de combustion résulte de l'excédent d'air des gaz de combustion. Ainsi, les gaz de combustion s'échappant de la turbine à gaz 10 se mélangent dans le four 30 avec le carburant amené par l'intermédiaire de la tubulure d'admission 34, de telle sorte que la combustion du mélange assure le besoin thermique du processus technologique se déroulant dans le four. Après que les produits de combustion aient délivré dans le four une quantité de chaleur correspondant au besoin du processus technologique, ils s'échappent par l'intermédiaire de la tubulure d'échappement 38 du four 30 et s'écoulent par l'intermédiaire de la canalisation 40 dans l'atmosphère, accompagnés par les substances gazeuses qui se dégagent du produit traité dans le four 30. L'exemple de réalisation selon la figure 2 se différencie du precédent par le fait que la chaleur des produits (flèche en pointillés D) s'échappànt du four 30 par l'intermédiaire du point de sortie 44 est utilisée en vue du préchauffage de l'air comprimé s'écoulant du compresseur 12. Dans ce but, entre le compresseur 12 et la chambre de combustion 14 est prévu un autre régénérateur 48 (un régénérateur de gaz de combustion) dont le côté primaire est relié, par l'intermédiaire de la canalisation 40, à la tubulure d'échappement 38 du four 30. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 4, le carburant amené à l'enceinte fermée n'est pas brûlé avec un gaz de combustion avec excédent d'air, mais avec de l'air comprimé, les gaz de combustion étant détendus avec cession d'énergie. L'appareil représenté se différencie des précédents par le fait que la chambre de combustion 14 manque et que la canalisation 22 raccordée- au côté de compression du compresseur 12 est relié directement à la tubulure d'admission 32 du four 30. Une autre différence consiste en ce que la canalisation 40 raccordée à la tubulure d'échappement 38 du four 30 est reliée, par l'intermédiaire d'un séparateur 50, à la tubulure d'admission 10a de la turbine à gaz 10 Le compresseur 12 délivre l'air à la tubulure d'admission 32 du four 30.L'air affluant forme, avec mélange avec le carburant arrivant par l'intermédiaire de la tubulure d'admission 34, un gaz de combustion à pression élevée, qui assure le besoin en énergie du processus technologique. Par suite de la surpression régnant dans le four 30, le produit de traitement doit etre introduit dans le four par l'intermédiaire d'une écluse 52, et doit être extrait de celle-ci par l'intermédiaire d'une écluse 54. Après la délivrance de chaleur au processus technologique, le gaz de combustion s'échappant par l'intermédiaire de la tubulure d'échappement 38, est amené au séparateur 50, où les matières solides en suspension sont séparées du gaz de combustion. Le gaz de combustion épuré parvient, par l'intermédiaire de la canalisation 40, dans la turbine à gaz 10, où il est détendu et ainsi une partie de l'énergie subsistante de l'agent de travail est rendue utilisable de la manière déjà décrite. Une telle forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention présente également l'avantage que le processus technologique dans le four 30 se déroule à une pression optimale du point de vue technologique et énergétique au lieu de la pression atmosphérique usuelle. Un autre avantage consiste en ce que les produits de réaction se dégageant au cours du processus technologique, c' est-à-dire des gaz et des vapeurs se dégagent sous une pression élevée et atteignent, par l'intermédiaire de la turbine à gaz 10, l'environnement, de sorte qu'une partie de leur énergie peut également etre rendue utilisable. La figure 5 représente un exemple de réalisation qui se différencie des précédents par le fait qu'il comporte une chambre de combustion 14 dont l'admission de gaz est reliée à la canalisation 40, tandis que l'admission d'air de celle-ci se raccorde à une prise (canalisation 56) à la canalisation 22. Dans cet exemple de réalisation, le procédé selon l'invention peut par conséquent être mis en oeuvre de sorte que les gaz de combustion s'échappant du four 30 sont à nouveau échauffés avant leur amenée dans la turbine à gaz lO. Le carburant nécessaire à l'échauffement est amené à la chambre de combustion 14 par l'intermédiaire de la canalisation 24 déjà mentionnée. Si la teneur en oxygène des gaz de combustion s'échappant du four 30 le per met, une alimentation en air par l'intermédiaire de la canalisa- tion 56 peut etre omise. Une telle mise en oeuvre du procédé selon l'invention présente l'avantage que la température des gaz de combustion s chappant du four 30, ainsi que la température des gaz de combustion pénétrant dans la turbine à gaz 10, sont rendues indépendantes l'une de l'autre et ainsi les deux températures peuvent être fixées à des valeurs maximales pouvant encore être atteintes technologiquement . Selon un autre avantage, également les débits dans le four 30 et dans la turbine à gaz 10 peuvent être rendus indépendants l'un de l'autre. Une certaine liberté est ainsi obtenue dans le choix de la puissance de la turbine à gaz 10, sans que le procédé selon l'invention doive perdre d'autres avantages.Enfin, existe également l'avantage que l'atmosphère dans le four 30 et en particulier la concentration en oxygène peuvent être choisies librement en deçà de certaines limites, sans que des pertes d'énergie en résultent. La figure 6 représente enfin une installation au moyen de laquelle le procédé selon l'i-nvention peut être mis en oeuvre afin de rendre utilisable la chaleur perdue, non seulement des produits de traitement se dégageant du four, mais également des gaz de combustion s'échappant de la turbine à gaz 10. Dans ce but, les régénérateurs 46, 48, respectivement, déjà mentionnés dans les exemples de réalisation précédents, sont utilisés, d'où il résulte que l'installation représentée à la figure 6 constitue essentiellement une combinaison des appareils représentés aux figures 3 et 4. Si les régénérateurs 46, 48, respectivement, de la chambre de combustion 14 et la canalisation 22 sont disposés de façon à être mis en service sélectivement, alors l'appareil de la figure 6~peut fonctionner selon un montage optimal. Dans ce qui précède, l'invention a été décrite à l'aide de fours à tambour rotatif. I1 est évident que l'invention peut être utilisée dans toute technologie où des processus technologiques se déroulent en enceinte fermée avec échauffement, dont le besoin en chaleur est couvert par des gaz de combustion; les fours à fluidisation en offrent un exemple particulier. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'alimentation en chaleur de processus technologiques se déroulant en enceinte fermée, dans lesquels un gaz de combustion est produit avec excédent d'air et du carburant amené à l'enceinte fermée, caractérisé en ce que tout d'abord le gaz de combustion avec excédent d'air est détendu avec cession d'énergie, amené ensuite à l'enceinte fermée, enfin utilisé pour la combustion du carburant amené également à l'enceinte fermée. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de combustion est produit avec de l'air comprime et est préchauffé par les gaz de combustion s'échappant de l'enceinte fermée. 3 - Procéde selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le carburant amené à l'enceinte fermée est brûlé, au lieu du gaz de combustion avec excédent d'air, avec l'air comprimé utilisé pour la production du gaz de combustion, les gaz de combustion s'échappant de l'enceinte fermée étant détendus avec cession d'énergie. 4 - Appareil de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, muni d'un four et d'une machine à combustion interne, caractérisé en ce que l'admission d'air de combustion (32) du four (30) est reliée à la tubulure d'échappement (lob) de la machine à combustion interne (10) (figures 1 à 3). 5 - Appareil selon la revendication 4 muni d'un four et d'une turbine à gaz sous la forme d'une machine à combustion interne, caractérisé en ce que le four (30) se trouve entre la turbine à gaz (10) et le compresseur (12) (figures 4 à 6). 6 - Appareil selon la' revendication 5, caractérisé en ce que dans la canalisation de transport-(22) du compresseur (12) de la turbine à gaz (lO) est prévu un régénérateur (46), dont le côté primaire est relié à la tubulure d'échappement de produit (44) du four (30) (figures 3 et 62. 7 - Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que dans la canalisation de transport (13) du compresseur (12) de la turbine à gaz (10) est prevu un régénérateur (48) de gaz de combustion, dont le côté primaire est relié à la canalisation pour les gaz d'échappement (figure 3 : 40, figure 6 : 28).