Brevet FR2464370A1 — publié le 19810306

L'invention concerne d'une manière générale, une centrale intégrée à turbine à gaz marchant au charbon, et plus particulière- ment, une centrale intégrée utilisant un cycle combiné compresseur hydraulique/turbine à gaz. On connaît bien les centrales intégrées à turbine à gaz mar- chant au charbon. Une centrale intégrée typique comprend un système de combustion du charbon, o il y a production d'un effluent gazeux, une turbine à détente entraînée par l'effluent gazeux, et un com- presseur qui fournit l'air comprimé utilisé dans le système de combustion du charbon. De plus, les centrales de ce type peuvent avoir des cycles secondaires dans lesquels la chaleur perdue con- tenue dans les gaz sortant de la turbine est utilisée dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur, la vapeur ainsi produite servant à entraîner un groupe turbine à vapeur-générateur d'électricité. On trouvera une description d'une centrale du type précédent dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 4 150 953. La présente invention constitue une amélioration par rapport à ces types classiques de centrales, et ceci grâce à l'emploi d'un compresseur hydraulique, avec les avantages qu'il présente du point de vue rendement dans une centrale intégrée. En plus d'un accroissement du rendement, l'emploi décrit ici d'un compresseur hydraulique permet d'économiser de l'argent en éliminant le cycle secondaire de la vapeur et le compresseur mécanique qui caracté- risent les centrales intégrées de ce type. Jusqu'ici, les compresseurs hydrauliques ont été utilisés principalement dans des systèmes d'alimentation en air pour tra- vailler dans les mines, mais leur emploi dans des centrales inté- grées peut apporter plusieurs avantages importants par rapport à l'emploi d'un compresseur mécanique. En particulier, les com- presseurs hydrauliques ont un fonctionnement isotherme et demandent donc un apport d'énergie notablement moindre que des compresseurs mécaniques, à fonctionnement isentropique. Par exemple, une com- pression isotherme idéale ne demande que 70,7% de l'apport d'éner- gie nécessaire pour obtenir un même niveau de compression en régime isentropique quand une turbine à gaz travaille à des taux de pression élevés typiques (par exemple 10). De plus, le rende- ment d'un compresseur mécanique réel est d'environ 84%, alors que les rendements sont d'environ 85% pour le compresseur hydraulique et d'environ 92% pour une pompe hydraulique associée. Il en résulte une économie globale d'énergie de 24% si l'on emploie un système, entraîné par turbine à gaz, pompe hydraulique/ com- presseur hydraulique, (Wah), au lieu d'un système compresseur mécanique entraîné par turbine à gaz, (Wam), comme on peut le voir d'après les relations suivantes Wam Wa am 0,84 isentropique Wah (0,92)(0,85) Waisotherme Waisotherme. 0,707 Waisotherme d'o Wah = 0,76 Wam Le régime isotherme du compresseur hydraulique donne égale- ment un puits de chaleur àbasse température que l'on peut utili- ser avantageusement dans une centrale intéerée conjointement à la chaleur perdue contenue dans les gaz sortant d'une turbine. Nor- malement, cette chaleur perdue n'est pas ajoutée à l'air chaud (3430C environ) sortant d'un compresseur ordinaire, car la quan- tité de chaleur restant dans le flux éjecté du système serait insuffisante. Par exemple, dans un tel système, les gaz sortant de la turbine à 5380C pourraient typiquement quitter le système à 371C. Les centrales intégrées de ce type utilisaient donc typiquement des cycles coûteux d'épuisement de la vapeur pour ré- cupérer davantage de cette chaleur perdue de la turbine à gaz. De plus, ces cycles d'épuisement de la vapeur demandaient au système de combustion coopérant un apport de chaleur pour fonctionner convenablement, d'ot, pour la turbine à gaz, une diminution de l'apport de chaleur. L'air comprimé relativement froid (380C environ) délivré par un compresseur hydraulique isotherme permet de récupérer davantage de chaleur sur les gaz sortant de la turbine; il en résulte que la température des gaz sortant du système est limitée, essentiel- lement par la formation d'acide sulfurique, à 1490C environ dans un récupérateur de chaleur associé. On n'a donc pas besoin d'un cycle d'épuisement de la vapeur. En conséquence, les investisse- ments relatifs au cycle de la vapeur et à ses composants interve- nant dans le transfert de chaleur disparaissent. De même, on n'a plus les coûts d'entretien élevés associés à un cycle de turbine à vapeur, ainsi que ceux associés à un compresseur mécanique, car le système du compresseur hydraulique, relativement simple, ne met en oeuvre qu'un petit nombre de pièces mobiles. De plus, l'élimination du cycle d'épuisement de la vapeur de la turbine à vapeur grâce à la mise en pratique de la présente invention permet de fournir la totalité de l'énergie thermique disponible dans un système particulier de combustion du charbon non pas à une turbine à vapeur, comme dans les conceptions classiques, mais à l'effluent gazeux résultant.(Voir, par exemple, "Développement des projets de centrales commerciales à cycle combiné marchant au charbon", ASME Publication 77-JPGC-GT-6, par J-R. Petersen et V.H. Lucke). Finalement, la possibilité d'avoir de l'air comprimé à tem- pérature relativement basse par compression isotherme au moyen d'un compresseur hydraulique peut servir, comme décrit ici, pour éliminer un grand nombre des contraintes de fonctionnement qu'im- pose aux turbines à gaz la présence d'impuretés liées au charbon. Ces impuretés sont portées par l'effluent gazeux provenant du système de combustion du charbon d'une centrale intégrée et péné- trant dans une turbine. En particulier, des métaux alcalins tels que le sodium et le potassium passent en phase vapeur aux tempé- ratures typiquement rencontrées dans un système de combustion du charbon. Ces impuretés alcalines peuvent ultérieurement se con- denser sur des parties de la turbine, provoquant ainsi la corro- sion des pièces touchées et réduisant par là la durée de vie de la turbine. Il est connu que la vitesse de l'attaque corrosive alcaline dépend fortement de la température dans la plage de température de fonctionnement d'une turbine à gaz, la vitesse.de corrosion diminuant quand la température baisse. Ainsi, en se servant de l'air comprimé à température relativement basse fourni par un compresseur hydraulique pour refroidir la-turbine, on peut abaisser la température du métal des pièces touchées, réduire ainsi la vitesse de corrosion de celles-ci et l'amener dans les limites acceptables. De plus, l'air comprimé à basse température et rela- tivement propre fourni par un compresseur hydraulique peut aussi être envoyé dans des systèmes de nettoyage de l'effluent gazeux contenus dans la plupart des systèmes de combustion du charbon pour servir d'agent de dilution ou permettre la condensation des impuretés dans les systèmes de nettoyage. L'emploi d'un compres- seur hydraulique améliore donc les conditions de fonctionnement de la turbine à gaz, ainsi que le rendement global de la centrale intégrée associée. Les avantages ci-dessus de la présente invention sont obtenus dans une centrale intégrée marchant au charbon; cette centrale comprend un système de combustion du charbon, une turbine à détente et un dispositif fournissant de l'air comprimé, équipé d'un compresseur hydraulique. On expose également une méthode d'utilisation du charbon dans laquelle il y a production d'un effluent gazeux dans un système de combustion du charbon alimenté en air comprimé par un compresseur hydraulique. L'effluent gazeux obtenu est envoyé dans une turbine à détente pour obtenir une énergie de sortie utilisable. De plus, on prélève avantageusement de l'air sur le compresseur hydraulique pour refroidir la turbine et nettoyer l'effluent gazeux. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent Figure 1 et 2, des vues schématiques représentant des réali- sations possibles de la présente invention. L'invention représentée sur les figures 1 et 2 comprend un dispositif 1 fournissant de l'air comprimé à un système 2 de combustion du charbon, lequel système inclut un agencement 3, produisant un effluent gazeux dans un processus de combustion du charbon, et une section 4 de nettoyage des gaz pour l'effluent ainsi produit. L'effluent obtenu se détend alors dans une turbine à gaz 5 pour produire du travail utilisable. Dans le dispositif 1, on utilise un compresseur hydraulique ordinaire 6 pour comprimer isothermiquement de l'air envoyé dans le compresseur hydraulique par une conduite 7. Comme décrit plus en détail dans le document "Hydraulic Air Compressors" ("Compres- seurs d'air hydrauliques"), Bureau of Mines Information Circular 7683 (May, 1954), qui traite de plusieurs systèmes typiques de compresseurs hydrauliques, l'air(ou un autre gaz possible) à comprimer pénètre sous l'action d'un aspirateur dans une colonne à écoulement vers le bas d'un fluide tel que l'eau et y est de ce fait comprimé. L'introduction du fluide dans le compresseur hydraulique en un point suffisamment haut peut se faire en utilisant l'un quelconque de nombreux procédés, y compris l'em- ploi d'une motopompe 8, comme dans la réalisation de l'invention de la figure 1, ou l'emploi d'une turbopompe directe 9, comme dans la réalisation de la figure 2. Dans ces deux réalisations, l'air et le fluide sont séparés après compression, l'air sortant par une canalisation 10, et le fluide par une canalisation dif- férente 11. Dans le dispositif 1 figure un récupérateur de chaleur clas- sique 12 qui sert à récupérer efficacement la chaleur, autrement perdue, contenue dans les gaz éjectés de la turbine à gaz, sans avoir besoin d'un cycle secondaire coûteux de turbine à vapeur, comme c'était typiquement le cas dans le passé. (Voir par exemple "Commercial Power Plant Design Development for the Coal-Fired Combined Cycle" ("Développement des projets de centrales commer- ciales à cycle combiné marchant au charbon"), ASME Publication 77-JPGC-GT6, par J.R. Petersen et V.H. Lucke). L'air comprimé froid pénétrant dans le récupérateur de chaleur par une conduite 10 traverse celui-ci en relation d'échange thermique avec le gaz relativement chaud sortant de la turbine, gaz pénétrant dans le récupérateur 12 par une conduite 13 et en sortant par une con- duite 14. Ainsi échauffé dans le récupérateur 12, l'air comprimé pénètre dans le système 2 de combustion du charbon par une con- duite 15. L'alimentation en air du système 2 est suffisante pour assurer le maintien des températures du système de combustion au- dessous de la température d'entartrage par les sous-produits sous forme de cendre de la combustion. Dans la réalisation de l'invention de la figure 1, l'air com- primé chaud pénétrant dans le système 2 de combustion du charbon entre dans une chaml-re de combustion 16 à lit fluidisé sous pres- sion qui fait partie de l'agencement 3 produisant un effluent gazeux. L'agencement 3 comporte également un système d'alimenta- tion classique 17 amenant dans la chambre de combustion 16 le charbon et la dolomie utilisés. La chambre de combustion elle- même est de type classique; la combustion du charbon s'y fait dans une chambre sous pression qui contient un lit fluidisé de dolomie ou de calcaire dont la fonction est d'absorber utilement SOx et NOx émis dans la combustion. Toutefois, dans ce système, la totalité de l'énergie thermique passe dans l'effluent gazeux, aucune partie de celle-ci n'étant transférée à une turbine à vapeur; c'est ce qui caractérisé les cycles combinés, comme le montrent Petersen et Lucke dans l'article cité plus haut. Cette caractéristique réduit notablement le coût et la complexité de l'agencement 3, et constitue un objectif majeur de la présente invention. L'effluent gazeux produit passe de l'agencement 3 à la section 4 de nettoyage des gaz du système 2 de combustion du charbon par la conduite 18. Dans la réalisation de l'invention de la figure 1, les particules érosives sont retirées de l'effluent gazeux dans une section de nettoyage qui comporte un séparateur cyclone classique 19 et un séparateur cyclone 20 à écran d'air. Dans la présente réalisation, le séparateur cyclone 19 élimine une grande partie des particules nuisibles, tandis que le sépa- rateur cyclone 20 à écran d'air retire les particules plus fines. Pour fonctionner convenablement, le séparateur cyclone 20 à écran d'air doit recevoir un flux gazeux propre en plus de l'ef- fluent gazeux entrant par la conduite 21. Dans la présente inven- tion, ce flux gazeux propre provient du dispositif 1 fournissant de l'air comprimé, ce dispositif coopérant avec une conduite 22. L'effluent gazeux ainsi produit est propre; une conduite 23 le fait alors passer du système 2 de combustion du charbon à la turbine à détente 5. A condition d'utiliser des matériaux résis- tant suffisamment à la corrosion, la conduite 22 peut traverser la chambre de combustion 16 et y participer à un échange thér- mique, pour obtenir ainsi des températures d'admission dans la turbine plus élevées. Dans l'autre réalisation possible de l'invention de la figure 2, le système 2 de combustion du charbon comporte dans l'agence- ment 3 un gazéificateur 24 à lit fluidisé sous pression, destiné à produire un effluent gazeux. Le gazéificateur 24, d'un type classique, est capable de produire un effluent gazeux à faible pouvoir calorifique quand on lui fournit du charbon et du calcaire au moyen d'un système d'alimentation approprié 25, de la vapeur convenable arrivant par une entrée 26, et de l'air comprimé amené par une conduite 27. L'effluent gazeux sortant du gazéifica- teur 24 par une conduite 28, traverse ensuite une section 4 de nettoyage des gaz du système 2 de combustion du charbon qui com- porte un séparateur cyclone 29 à recyclage du charbon, un sépa- rateur cyclone classique 30 et un épurateur 31 des produits alcalins. Les particules de charbon sont retirées de l'effluent gazeux entrant dans le séparateur cyclone 29 à recyclage du charbon et reviennent dans le gazéificateur 24 par une conduite 32. Le gaz passe ensuite dans un séparateur cyclone classique 30 o la séparation des particules se poursuit. Après ces premières étapes de nettoyage, le gaz traverse un épurateur 31 de produits alcalins; celui-ci retire du mélange gazeux, par condensation, les produits alcalins corrosifs présents sous forme de vapeur. L'épurateur sert aussi à retirer des gaz d'autres particules fines pour qu'il n'y ait pas passage de produits alcalins en phase solide dans une chambre de combustion 36 marchant au gaz. Cette caractéristique est essentielle pour réduire au maximum la production de vapeurs additionnelles de produits alcalins à la température plus élevée des gaz à l'allumage dans la chambre de combustion. Il est pos- sible d'améliorer encore l'élimination des particules fines par l'emploi de forces électrostatiques. Un dispositif 33 fait circuler dans l'épurateur 31 des pro- duits alcalins l'air de refroidissement nécessaire. Comme indiqué sur la figure 2, le dispositif 33 comporte une conduite 34 re- liant la sortie du récupérateur de chaleur 12 à une entrée-de l'épurateur 31. Mais il doit être bien entendu que l'air de refroidissement pourrait aussi arriver à l'entrée de l'épurateur 31 par une conduite 35 partant d'un point intermédiaire entre le compresseur hydraulique 6 et le récupérateur de chaleur 12, et ceci pour fournir à l'épurateur un fluide de refroidissement à plus basse température. Après sa sortie de l'épurateur 31, l'air chauffé est amené par la conduite 27 dans le gazéificateur 24 à lit fluidisé sous pression. Le système 2 de combustion du charbon de la réalisation de la figure 2 comporte aussi une chambre de combustion de gaz 36 qui fait partie de l'agencement 3 produisant un effluent gazeux. Le qaz relativement propre sortant de l'épurateur 31, des produits alcalins par la conduite 37 se mélange dans la chambre de com- bustion 36 à une quantité prédéterminée d'air comprimé avanta- geusement préchauffé dans le récupérateur de chaleur 12 et arri- vant dans le chambre de combustion par une conduite 38. On obtient donc un produit de combustion gazeux susceptible d'être employé dans la turbine à détente 5, qui communique avec la chambre de combustion 36. Dans les réalisations des figures 1 et 2, un rotor situé dans la turbine à détente 5 tourne quand il reçoit un flux de gaz ex- pansible approprié. Une génératrice 39, couplée à la turbine, produit donc du courant électrique d'une façon classique. Une conduite 40 d'air de refroidissement délivre à la turbine 5 de l'air venant du compresseur hydraulique 6 pour refroidir les pièces de la turbine exposées au flux des gaz chauds. De cette façon, la température de ces pièces baisse suffisamment pour que diminue la réaction corrosive, dépendant fortement de la tempé- rature, d'une vapeur alcaline quelconque qui pourrait rester dans le flux gazeux. On a donc réalisé une méthode d'utilisation du charbon dans laquelle de l'air est comprimé isothermiquement dans un compres- seur hydraulique 6. On prélève une partie de cet air pour refroi- dir des pièces d'une turbine à gaz associée, ce qui permet de réduire au maximum la corrosion alcaline de ces pièces. Une seconde partie de cet air comprimé est échauffée dans un récupé- rateur de chaleur, sa température initiale étant inférieure à 380C environ et sa température finale atteignant 4540C environ. L'air échauffé traverse ensuite un système de combustion du charbon, o est produit un effluent gazeux et o celui-ci est nettoyé avant d'arriver dans la turbine à détente de gaz, o l'on obtient un travail de sortie utilisable. Les réalisations de la présente invention décrites ci-dessus n'ont pas d'autre but que de donner des exemples; elles ne sont pas limitatives et les spécialistes jugeront d'après ce qui précède qu'on peut apporter au système et au procédé exposés de nombreuses substitutions, altérations et modifications sans s'écarter de l'esprit et du champ de l'invention. En particulier, il est bien entendu que le système de combustion du charbon utilisé dans la présente invention peut comprendre l'un quelconque des nombreux agencements produisant un effluent gazeux ainsi que l'un quelconque des systèmes de nettoyage des gaz les accompa- gnant, à condition que le gaz qui en sort convienne à l'emploi dans une turbine à détente et que le système de combustion du charbon ait besoin d'une source d'air comprimé ou d'un autre fluide convenable que l'on peut obtenir dans un compresseur hy- draulique. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'utilisation du charbon, caractérisé en ce qu'il camprend - un système de combustion du charbon (2). comportant un agen- cement (3) produisant un effluent gazeux à partir du charbon; - une turbine à détente (5) communiquant avec cet agencement (3) produisant un effluent gazeux; et - un dispositif (1) fournissant du fluide comprimé, communi- quant avec ce système (2) de combustion du charbon, ce dispositif comprenant un compresseur hydraulique (6). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (1) fournissant du fluide comprimé comporte en outre un récupérateur de chaleur (12) placé entre le compres- seur hydraulique (6) et le système (2) de combustion du charbon, ce récupérateur de chaleur étant aussi en relation d'échange thermique avec les gaz sortant de la turbine à détente (5). 3. Dispositif suivant les revendications 1 ou 2, et compre- nant en outre un organe (40) alimentant la turbine à détente (5) en fluide de refroidissement provenant du dispositif (1) four- nissant du fluide comprimé. 4. Dispositif suivant les revendications 1 à 3, et compre- nant en outre un moyen (22, 34, 35), alimentant une section (4) de nettoyage des gaz appartenant au système (2) de combustion du charbon en fluide sortant du dispositif (1) fournissant du fluide comprimé. 5. Dispositif pour l'utilisation du charbon,caractérisé en ce qu'il comprend - un système de combustion du charbon (2) comprenant un agencement (3) produisant un effluent gazeux à partir du charbon et une section (4) de nettoyage des gaz communiquant avec cet agencement (3) produisant un effluent gazeux; - une turbine à détente (5) communiquant avec ce système (2) de combustion du charbon; - un dispositif (1) fournissant du fluide comprimé, commu- niquant avec ce système (2) de combustion du charbon et compre- nant un compresseur hydraulique (6) et un récupérateur de chaleur (12) branché entre ce compresseur hydraulique (6) et ce système (2) de combustion du charbon, ce récupérateur de chaleur (12) étant en relation d'échange thermique avec la sortie de cette turbine à détente (5); et un organe (40) alimentant cette turbine à détente (5) en fluide de refroidissement provenant du dispositif (1) fournis- sant du fluide comprimé. 6. Procédé pour l'utilisation du charbon, consistant à - comprimer du gaz dans un compresseur hydraulique (6); - introduire ce gaz comprimé dans un système (2) de combus- tion du charbon pour qu'il interagisse avec le charbon contenu dans ce système (2) de combustion du charbon; et - produire dans ce système (2) de combustion du charbon un effluent gazeux et introduire cet effluent gazeux dans une turbine à détente (5), grâce à quoi cette turbine est entraînée et fournit un travail utilisable. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz comprimé traverse un récupérateur de chaleur (12) pour y absorber de la chaleur avant d'être introduit dans le système (2) de combustion du charbon. et en ce aue les gaz sortant de la turbine à détente (5) sont en relation d'échange thermique avec ce récupérateur de chaleur (12). 8. Procédé suivant les revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que une partie du gaz comprimé est dérivée vers la turbine à détente (5) pour alimenter celle-ci en fluide de refroidissement. 9. Procédé suivant les revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'une partie du gaz comprimé est dérivée vers une section (4) de nettoyage des gaz appartenant au système (2) de combustion du charbon. 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'une partie du gaz comprimé traverse, en relation d'échange ther- mique, une partie du système (2) de combustion du charbon, pour y absorber de la chaleur, avant d'être dérivée vers la section (4) de nettoyage des gaz.