Brevet FR2511079A1 — publié le 19830211

Procédé et dispositif pour l'extraction d'énergie et le dépous- siérage de gaz chauds et chargés avec fourniture simultanée de réactif gazeux sous pression. L'invention concerne des nombreuses installations métal- lurgiques, énergétiques ou chimiques qui utilisent un réactif gazeux sous pression, le plus souvent un comburant tel que de l'air, et qui fournissent comme produit principal ou comme, sous-produit des gaz chauds et poussiéreux. On peut citer, parmi les exemples les plus courants, les haut-fourneaux de sidérurgie, les gazogènes pour la fabrica- tion de gaz à l'air ou de gaz à l'eau, et les craqueurs cataly- tiques à lit fluidisé (ou FCC) pour transformer les fractions pétrolières lourdes en fractions plus légères. Le problème principal posé par de telles installations est d'assurer l'alimentation en réactif et la décharge des gaz chauds selon les impératifs de la réaction utilisée en récupé- rant le maximum d'énergie pour diminuer les coûts opératoires ou même éventuellement en vue de créer de l'énergie, mais tout en assurant une bonne conservation du matériel. Selon l'état de la technique on récupère d'abord l'éner- gie mécanique contenue dans les gaz chauds sous pression En fait, cette récupération ne présenterait pas de difficulté particulière sans la présence des poussières qui occasionnent de sévères érosions de la turbine de détente On place alors un dépoussiéreur en amont de cette turbine, mais ces pous- sières jointes à la température élevée occasionnent des éro- sions importantes du dépoussiéreur Pour cette raison on refroidit tout d'abord les gaz chauds jusqu'à la limite ad- missible de tenue des matériaux Le procédé général classique 350 comporte donc en premier le refroidissement des gaz jusqu'à une température d'environ 7300 par un "quench" ou trempe thermique par injection d'eau dans le régénérateur pour régu- ler cette température à sa valeur critique On dépoussière alors les gaz de façon aussi poussée que possible dans un dépoussiéreur travaillant à sa limite maximale de température, puis on extrait l'énergie mécanique de détente par une turbine de détente avant de récupérer l'énergie thermique résiduelle dans une chaudière Cette turbine entraîne le compresseur qui fournit le comburant sous pression, et en raison de la tempé- rature encore élevée qui alimente la turbine, celle-ci est régulée par une vanne de bipasse et d'étranglement pour assu- rer la valeur voulue de la pression fournie par le compres- seur Une turbine d'appoint est couplée à l'ensemble avec également un moteur générateur, généralement asynchrone, qui fixe la vitesse de l'ensemble au glissement et à la réduction près. Cette solution classique présente donc de nombreux incon- vénients dont le plus important est qu'elle fait travailler les matériaux des installations et les machines à une haute température conjuguée avec des contraintes de pression, ce qui diminue le potentiel de vie du matériel en raison du phénomène de fluage, et ceci malgré le refroidissement initial qui constitue une perte importante d'énergie Il est clair que ces deux défauts sont antagonistes, et que tout gain sur l'un d'eux ne peut être obtenu qu'au détriment d'une perte sur l'autre, même en cas de sophistication technologique. Le but de l'invention est donc tout naturellement d'évi- ter tout à la fois cette perte d'énergie du refroidissement initial et les contraintes de fluage importantes du matériel, dépoussièreur et turbine, travaillant à sec. L'invention consiste essentiellement à inverser l'ordre des opérations, c'est-à-dire à récupérer l'énergie thermique d'abord, et l'énergie mécanique ensuite Pour cela on envoie les gaz chauds poussiéreux et sous pression dans une chaudière vapo-énergétique dans laquelle on récupère une quantité de chaleur telle que les gaz soient abaissés à une température suffisamment basse qu'après détente dans la turbine de récu- pération, les gaz sortent de cette turbine à la température minimale de rejet ou de sortie, c'est-à-dire légèrement supé- rieure à la température maximale de corrosion acide éventuelle des gaz ou fumées. Les gaz ainsi fortement refroidis, mais toujours sous pression, sortent de la chaudière et passent dans un dépous- siéreur qui est donc très peu sollicité au point de vue con- traintes de fluage Ce refroidissement permet en outre un dépoussièrage plus facile et plus efficace des gaz De là ces gaz toujours sous pression mais relativement froids alimentent une turbine de détente qui estdébarrassée du soucis majeur du fluage et qui peut même utiliser une régulation par admission variable, d'un meilleur rendement que la régulation par bi- passe et vanne d'étranglement, et également une vitesse varia- ble En effet le groupe compresseur-turbine de récupération est dans ce cas toujours déficitaire en énergie et par conse- quent dépourvu d'une génératrice électrique assujettie au réseau On rajoute au contraire dans le groupe une simple turbine à vapeur conventionnelle, régulée par les méthodes conventionnelles performantes, telle que levée progressive des soupapes d'admission, et qui permet de réguler d'une manière très simple la vitesse du groupe On peut également faire appel à un entraînement utilisant un moteur électrique à vitesse variable dans les cas o cela est économiquement possible. La chaudière vapo-énergétique qui constitue le récupéra- teur principal du procédé selon l'invention est conçue comme une chaudière à vapeur classique dans une enveloppe résistant à la pression, et dimensionnée de telle manière que la vitesse d'écoulement des gaz chauds poussiéreux soit ni trop élevée au point de produire une érosion, ni trop faible au point de produire des dépôts et collage, et par conséquent à une valeur optimale, déterminée expérimentalement mais comprise entre 10 et 30 m/s pour qu'il ne se produise ni dépôt, ni érosion. Naturellement, la grande quantité de vapeur produite par cette chaudière constitue une énergie mécanique facilement utili- sable pour tous les auxiliaires et pour la récupération d'énergie sous forme électrique à l'aide de turbines à vapeur classiques. D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation et de diverses variantes, pris comme exemple et représentés sur le dessin annexé, sur lequel: la fig 1 représente le schéma simplifié du procédé; la fig 2 est un schéma plus détaillé d'une application particulière; les fig 3 et 4 représentent les courbes d'échange ther- mique respectivement dans la solution classique et dans la solution selon l'invention; les fig 5 à 9 sont des schémas correspondants à la fig. 2 pour des variantes de réalisation. Le schéma de la fig 1 rappelle d'une manière simple le procédé tel qu'il vient d'être exposé. Sur le schéma plus complet de la fig 2, on voit en particulier l'installation principale 1, schématisée par un rectangle, et qui représente l'installation métallurgique, énergétique ou chimique dont la particularité est d'utiliser un réactif gazeux sous pression, par exemple de l'air comprimé arrivant en 2, et de fournir en 3 un produit gazeux chaud, poussiéreux et également sous pression, ce produit étant soit le produit principal (gaz pauvre) fourni par l'installation 1 dans le cas d'un gazogène, soit un produit secondaire (gaz de haut-fourneau) dans-le cas d'un haut-fourneau sidérurgique, soit encore simplement un effluent chaud porteur d'énergie dont on n'a qu'à se débarrasser après récupération de celle-ci Adans le cas o l'installation l est la partie régénérateur associée à un réacteur de cracking catalytique sur lit flui- disé Quant aux poussières elles sont constituées selon les cas par des cendres, des particules de carbone ou de coke ou de catalyseur L'installation 1 comporte dans pratiquement tous les cas son propre dispositif de dépoussiérage pour récupérer les plus grosses particules ayant échappées à la réaction, de sorte que l'effluent chaud sortant en 3 est généralement chargé de poussière relativement fine, de 5 à 10 microns Sa température est généralement de l'ordre de 700 à 8000 et sa pression de plusieurs atmosphères, variable selon le procédé. Le problème posé est donc de récupérer au maximum l'éner- gie contenue dans cet effluent chaud et sous pression, tout en assurant une bonne conservation du matériel. Conformément à l'invention, cet effluent chaud, poussié- reux et sous pression est envoyé directement dans une chau- dière à vapeur 4, de type classique, par exemple sous forme d'un faisceau tubulaire de préférence vertical, enfermé dans une enveloppe résistant à la pression utilisée Selon un schéma classique, l'eau distribuée par une vanne 5 commandée par un capteur de niveau 6 passe d'abord dans un réchauffeur 7 puis dans un ballon 8 dont le niveau est contrôlé par le capteur de niveau 6, puis de là passe dans un vaporiseur 9 qui transforme cette eau en vapeur, cette dernière retournant au ballon 8 qui ne laisse échapper que la vapeur humide vers le surchauffeur 10 Il sort donc en 11 de la vapeur sèche à haute pression dont la température de surchauffe est régulée par un thermostat 12 qui commande une électrovanne 13 de réinjection d'eau. On sait que pour de faibles vitesses de déplacement, inférieures à 10 m/s, les gaz poussiéreux ont tendance à produire des dépôts et collages de poussières occasionnant des encrassements de la chaudière Au contraire, pour des vitesses d'écoulement excessives, au-delà de 30 m/s, ces gaz poussié- reux ont tendance à produire des érosions des parois Confor- mément à l'invention, la chaudière 4 est donc dimensionnée de telle manière que la vitesse d'écoulement de l'effluent chaud et poussiéreux aux endroits sensibles soit comprise entre 10 et 30 m/s, et de préférence à une valeur optimale voisine de m/s mais qui peut varier selon la nature chimique et la granulométrie des poussières ainsi que selon la température des gaz, vitesse pour laquelle il n'y a pratiquement ni dépôt ni érosion. Dans cette chaudière les gaz sont pratiquement refroidis depuis 7 à 8000 jusqu'à environ 300 et sortent par 14 à cette température pour se rendre à un dépoussiéreur 15, du type cyclone simple ou multiple, même du type Peerless plus effi- cace, mais qui est d'une réalisation et d'un entretien aisés étant donné qu'à cette température réduite il n'y a aucune contrainte de fluage, malgré la pression, et aucune difficulté majeure. 2511 079 b Les gaz sortent donc en 16 à cette température réduite de 3000 et toujours sous pression mais dépoussieres, et de là se rendent à la turbine de détente 17 pour être évacués en 18 pratiquement froids ou du moins à la température minimale de rejet évitant les phénomènes de corrosion acides. Cette turbine de détente 17, qui travaille à cette tempé- rature réduite de 300 environ, peut facilement être régulée par un dispositif d'admission variable 19 de haut rendement, ce dispositif étant lui-même commandé à partir d'un capteur de pression 20 situé par exemple à l'entrée de la chaudière 4 de telle manière que la pression dans l'installation 1 soit à sa valeur nominale En effet, cette turbine de détente 17 en- traîne le compresseur 21 qui fournit le réactif sous pression dans la canalisation 2 Un dispositif de sécurité 22 peut également évacuer directement les gaz sous pression sortant en 14 vers l'évacuation 18 en cas de surpression anormale due à une obturation du dépoussiéreur 15 ou de rupture de tube de la chaudière. Du fait que la majorité de l'énergie est récupérée sous forme de vapeur dans la chaudière 4, la récupération de l'é- nergie sous forme mécanique par la turbine de détente 17 se trouve relativement modérée de sorte que non seulement on n'a pas besoin de monter sur le groupe 17-21 un générateur élec- trique, autorisant ainsi un régime variable pour le groupe, mais il est même avantageux de déterminer l'ensemble pour que le groupe soit déficitaire en énergie afin de lui adjoindre une petite turbine à vapeur d'appoint 23 de type classique dont l'admission 24 est commandée à partir d'un détecteur 25 mesurant le débit d'air envoyé en 2. La vapeur d'alimentation de la turbine 23 est naturel- lement prélevée sur la vapeur principale fournie en 11, et l'exédent, c'est-à-dire la très grosse majorité, est dispo- nible pour une utilisation, soit sous forme de vapeur, soit sous forme électrique, la conversion d'une vapeur surchauffée à haute pression en énergie électrique étant extrêmement aisée et d'un haut rendement avec la technologie classique. La fig 3 donne le profil des échanges thermiques dans le cas d'une installation conventionnelle, avec l'évolution des températures S dans le surchauffeur, en V dans le vaporiseur et en E dans l'économiseur, et en G l'évolution de température des gaz dans deux hypothèses de travail On voit que même dans l'hypothèse la plus favorable, dans le cas d'une chaudière en queue il est très difficile de rejeter les gaz en dessous de 2350, ce qui constitue une perte d'énergie appréciable, avec en outre un pincement maximum de 50 nécessitant une grande surface d'échange de la chaudière Au contraire, dans le cas selon l'invention de la chaudière en tête illustré par la fig. 4, on voit avec les mêmes échelles et les mêmes notations que le pincement maximum est supérieur à 100 , donc le rendement d'échange de la chaudière très supérieur, alors qu'au con- traire les gaz sont rejetés en 18 à une température beaucoup plus faible, donc avec beaucoup moins de perte. La fig 5 représente une variante de réalisation iden- tique à la précédente mais dans laquelle on renonce au béné- fice de l'utilisation d'une régulation par admission variable pour la turbine 17 en conservant la disposition plus ancienne, exigée pour les hautes températures, et qui consiste à utili- ser un bipasse 26 et deux vannes d'étranglement 27 et 28 commandées par le pressostat 20 Dans ce cas le rendement global de l'installation est à peine inférieur étant donné que la réduction éventuelle de rendement s'applique sur la faible fraction de l'énergie transformée par la turbine de détente 17, alors que la plus grosse part de l'énergie continue à être extraite à un haut niveau par la chaudière 4, et valorisée dans des turbines de très haut rendement et de forte puis- -5 sance. La fig 6 illustre une autre variante de réalisation de l'exemple de la fig 2 dans lequel soit on désire le maximum de puissance sous forme de vapeur à haute pression, soit on désire avoir sur la ligne d'arbre du groupe une vitesse quasi- ment constante Dans ce cas en effet, l'admission variable 19 de la turbine de détente 17 est commandée par un dispositif de régulation quelconque agissant en 29, soit en fonction des B besoins en vapeur dans le premier cas, soit par rétroaction à partir d'un contrôle de vitesse de l'arbre dans le second cas. Le compresseur 21 peut alors tourner au régime maximum pour alimenter l'installation 1, et l'excédent de débit est dérivé par 30 vers la chaudière 4, après l'avoir réchauffé en brûlant du fuel complémentaire de réchauffage dans un brûleur 31, l'air ainsi réchauffé se mélangeant avec les effluents chauds provenant de 3 pour entrer dans la chaudière 4 Comme précé- demment on a un régulateur de pression 20 mesurant la pression à l'entrée de la chaudière 4, mais cette fois-ci il commande la vanne 32 d'admission de l'air dérivé par 30 au lieu de commander l'admission de la turbine 17 La turbine de détente est alors pratiquement gavée, vannes d'admission grandes ouvertes, ce qui évite tout bipasse et tout étranglement et maintient le rendement à un niveau élevé compte tenu de la production accrue de vapeur malgré la combustion supplémen- taire de fuel aliments en 33. La fig 7 est une autre variante d'utilisation dans le cas o les effluents chauds sortant en 3 contiennent de l'oxyde de carbone, par exemple dans le cas o l'installation 1 est le récupérateur d'un dispositif de craquage catalytique sur lit fluidisé qui est conduit pour ne brûler que partiel- lement le coke afin de fournir du CO et non du C 02, ce qui diminue toutes les températures et augmente la durée de vie du catalyseur Dans ce cas comme dans l'exemple précédent une partie de l'air est dérivée par 30 et injectée dans un dis- positif 34 de post-combustion o se produit la combustion du CO, avec en outre une injection 33 de fuel d'amorçage ou d'appoint Un régulateur de débit 35 règle le débit d'air arrivant en 30 par une vanne 36 en fonction d'une consigne reçue en 37 à partir d'une sonde d'analyse des gaz réglée pour avoir un léger excès d'air Le régulateur de pression 20 précédent agit directement sur l'admission 19 de la turbine 17 Ce dernier agencement est particulièrement sûr et permet de récupérer toute l'énergie tant thermique que chimique contenue dans les effluents 3. Toujours dans la technique de post-combustion, si l'on a besoin de grandes quantités d'énergie, on peut alors utiliser la variante selon la fig 8 en intercalant, entre les deux parties 30 a et 30 b du précédent circuit 30 de l'air de post- combustion, un véritable cycle de turbine à gaz avec son compresseur 38, sa chambre de combustion 39 et sa turbine 40, l'ensemble étant réglé pour avoir un excès d'air de l'ordre de 300 %, ce qui est classique pour les cycles de turbine à gaz pour avoir une tenue en température convenable de la turbine, ces gaz à haute température contenant un excès d'air étant alors utilisés pour la post-combustion du CO pour produire une résurchauffe très intéressante au point de vue énergétique Le groupe de turbine à gaz 38-40 entraîne, par exemple par l'in- termédiaire d'un réducteur, un alternateur 41 fournissant de 1.5 l'énergie au réseau En variante, comme représenté sur la fig. 9, ce groupe peut avantageusement entraîner directement un compresseur 42 lorsqu'on a l'utilisation sur place des gaz comprimés produits, par exemple dans le reste de l'instal- lation de traitement. En variante, il est bien évident qu'il est toujours possible de séparer les étages de récupération 17 et de com- pression 21 sur deux arbres distincts, par exemple pour des questions d'implantation, sans que cela ne change la base de l'invention. 2511079 9 REVENDICATIONS 1 Procédé d'extraction d'énergie et de dépoussiérage de gaz chauds et chargés ( 3) provenant d'une installation ( 1) avec fourniture simultanée de réactif gazeux sous pression ( 2) à cette installation, caractérisé par le fait que l'on extrait d'abord l'énergie thermique et éventuellement chimique contenue dans les gaz chauds ( 3) à l'aide d'une chaudière à vapeur ( 4) à haute pression et haute température alimentée sous pression par ces gaz chauds, puis que l'on réalise le dépoussiérage de ces gaz toujours sous pression mais relativement refroidis, enfin que l'on récupère l'énergie mécanique de la pression des gaz ainsi dépoussiérés et partiellement refroidis par détente dans une turbine ( 17) avant évacuation. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on fait circuler les gaz chauds poussiéreux dans la chaudière ( 4) à une vitesse comprise entre 10 et 30 m/s et déterminée expérimentalement pour n'avoir ni érosion, ni dépôt. 3 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fourniture du réactif gazeux ( 2) à l'installation ( 1) est assurée par un compresseur agencé pour que le groupe de cette turbine et de ce compres- seur comporte un déficit énergétique, et que l'on fournit l'appoint d'énergie nécessaire à ce groupe à l'aide d'une turbine à vapeur ( 23) dont l'admission est régulée en fonction du débit ( 25) du réactif gazeux fourni. 4 procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on utilise comme turbine de détente ( 17) une tur- bine à admission variable dont l'admission ( 19) est commandée en fonction de la pression ( 20) régnant dans la chaudière. Procédé selon l'une des revendication précédentes, ca- ractérisé par le fait que la turbine de détente ( 17) est gavée près du maximum de son régime et que l'excédent d'air fourni par le compresseur ( 21) alimente, sous la commande du régula- teur de pression ( 20), une chambre auxiliaire de combustion 1.1 ( 31) dont les gaz chauds sortant sont mélangés avec les ef- fluents chauds ( 3) sortant de l'installation principale ( 1) pour alimenter la chaudière ( 4). 6 Procédé selon l'une des revendications précédentes, destiné plus particulièrement à récupérer également l'énergie chimique contenue dans les effluents chauds sortant de l'ins- tallation principale dans le cas o ces effluents contiennent une telle énergie, en particulier lorsqu'ils contiennent de l'oxyde de carbone ou tout autre gaz combustible, caractérisé par le fait que l'on réalise la post-combustion de ces ef- fluents chauds en utilisant une partie ( 30) de l'air comprimé fourni par le compresseur ( 21) et dérivé vers un dispositif ( 34) de post-combustion, le dosage de cet air de post-combus- tion étant régulé à partir d'une sonde d'analyse des gaz pour un léger excès d'air. 7 Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, carac- térisé par le fait que sur la canalisation ( 30 a-30 b) de déri- vation de l'air sous pression est disposé un groupe de tur- bines à gaz ( 38-39-40) entraînant un générateur électrique ( 41) ou un compresseur ( 42). 8 Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.