Brevet FR2577990A1 — publié le 19860829

Procédé et installation de production d'énergie motrice ou électrigué, notamment à turbine à gaz. La présente invention concerne tout d'abord un procédé de production d'énergie motrice ou électrique du type mettant en oeuvre une turbine à gaz, ou'tout autre moteur à combustion produisant des fumées à température élevée. Les turbines à gaz utilisant par exemple des huiles lourdes sont connues de longue date pour la production d'énergie motrice ou électrique, dans différents types d'applications. Du fait de leur faible coût, elles sont notamment utilisées pour la production d'énergie électrique aux heures de pointe, à savoir entre 500 et 1 500 heures par an environ, car dans ce cas il est bien entendu primordial de limiter les coûts d'installation au strict minimum. Leur rapidité de mise en marche est également un facteur intéressant dans ce type d'application. Cependant, elles présentent l'inconvénient d'un rendement modeste, de l'ordre de 30 %, ceci étant dû au rejet à l'atmosphère d'importantes quantités de fumées à haute température (de l'ordre de 500C). Pour augmenter le rendement, on a déjà utilisé la chaleur des fumées pour la production de vapeur dans une chaudière de récupération, cette vapeur étant ensuite détendue dans une turbine à vapeur. La mise en oeuvre d'un tel cycle combiné permet d'atteindre un rendement de l'ordre de 45 %, ce qui constitue déjà un progrès considérable. Le but de la présente invention est d'augmenter encore ce rendement, et, à cet effet, un procédé du type mentionné au début sera, conformément à l'invention, essentiellement caractérisé en ce que l'on utilise un combustible, en particulier tel que le méthanol ou un alcool d'un autre groupe, que l'on reforme à la vapeur en utilisant les calories contenues dans les fumées d'échappement à haute température de la turbine à gaz. Ce reformage sera réalisé dans une chaudière de récupération, par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur. Les fumées vaporiseront d'une part l'eau et le combustible avant d'alimenter un réacteur chimique de reformage catalytique de ce combustible, et d'autre part produiront de la vapeur d'eau propre à être injectée dans la chambre de combustion de ladite turbine à gaz. L'utilisation du méthanol --de formule brute CH4 0-- comme combustible est particulièrement intéressante, notamment par comparaison avec l'utilisation des huiles lourdes, pour les différentes raisons suivantes - il permet d'accroitre la puissance de la turbine, et donc de réduire le coût de l'investissement par kW - sa teneur en soufre est infime, ce qui le rend particulièrement attrayant dans la perspective d'un durcissement des règlementations du taux de dioxyde de soufre rejeté à l'atmosphère - son coût de production est davantage maîtrisable que celui du fuel, car il existe plusieurs filières de synthèse partant du gaz naturel, de produits pétroliers, de l'hydrogène électrolytique ou encore et surtout du charbon - sa synthèse permet d'utiliser les kWh nucléaires excédentaires ; on peut donc considérer le méthanol comme une forme stockée d'énergie électrique ; - enfin, il est possible de lui faire subir des transformations endothermiques envisageables en cycle combiné. Toutefois, le méthanol n'est pas le seul alcool envisageable comme combustible, la plupart des alcools se prêtant au reformage à la vapeur aux températures intéressées (550-C à l'échappement pour les turbines à gaz actuelles). Avec des turbines à gaz ayant des températures d'échappement largement supérieures aux températures actuelles, on pourra même envisager le vaporeformage du méthane et autres gaz naturels, ainsi que des combustibles pétroliers. De toute façon, le reformage catalytique du combustible à la vapeur, qui est une réaction chimique endothermique, permet d'obtenir un mélange gazeux combustible à pouvoir calorifique nettement augmenté (de 18 % dans le cas du méthanol) ; de plus, le volume de ce combustible est également augmenté, ce qui accroît la puissance spécifique de la turbine à gaz, indépendamment de son rendement. En outre, on constate qu'un procédé conforme à la présente invention présente l'avantage supplémentaire de pouvoir être mis en oeuvre avec un matériel réduit, puisque, outre la turbine à gaz, il s'agira essentiellement des échangeurs de chaleur de la chaudière de récupération. Le cycle combiné envisagé, en particulier, ne nécessite pas de source froide du type condenseur ou aéroréfrigérant, ce qui constitue un facteur supplémentaire très important de limitation du coût d'investissement au kW. Quant à l'introduction de vapeur dans la chambre de combustion de la turbine à gaz, elle permet elle également d'augmenter le rendement de l'installation, en complétant le prélèvement de chaleur sur les fumées pour augmenter le rendement de la combustion. Les calculs ont montré que le reformage catalytique à la vapeur du combustible permettrait à lui seul de faire passer le rendement de la turbine à gaz à environ 40 %, tandis que-l'injection de vapeur seule permettrait d'obtenir une valeur supérieure, sans toutefois dépasser 50 %. Par contre, on a pu calculer que la mise en oeuvre conjointe de ces deux dispositions devrait permettre d'atteindre un rendement proche de 55 %. La présente invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel qu'il vient d'être défini. Un exemple nullement limitatif de réalisation d'une telle installation est donné ci-dessous, avec référence aux figures du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une représentation schématique générale de l'installation ; et - la figure 2 représente schématiquement les différents circuits de la chaudière de récupération. Sur la figure 1, on a référencé en 1 une turbine à gaz, dont l'arbre 2 est par exemple accouplé à celui d'un alternateur 3. Cette turbine 1 est alimentée en gaz de combustion à 12 bars et 1 200'C par une chambre de combustion 4, elle-même alimentée en.air comburant à 12 bars par un compresseur 5 calé suer l'arbre 2 et recevant l'air extérieur à une température de 15.C ; ces valeurs ainsi que celles qui vont suivre sont-données surtout à titre indicatif, et bien entendu sans aucun caractère limitatif. Les fumées d'échappement à haute température de la turbine à gaz 1 sont dirigées par une conduite 6 vers une cheminée 7, en traversant une chaudière de récupération 8. Celle-ci comporte un compartiment de reformage catalytique à la vapeur 8a et un compartiment générateur de vapeur d'eau 8b. Les échangeurs de chaleur respectifs de ces compartiments sont schématisés en 9a et 9. L'opération de reformage catalytique endothermique effectuée dans le compartiment de reformage 8â permet ainsi, grâce aux calories récupérées sur les fumées, d'obtenir, à partir de méthanol et d'eau à 1 bar et 15-C, un mélange combustible à 22 bars et 500.C, lequel est amené par une conduite 10 à la chambre de combustion 4 de la turbine. Ce mélange combustible est constitué de H2, CO, CO2, H20 dans des proportions qui dépendent de la température et de la pression, et présente, comme indiqué plus haut, un pouvoir calorifique augmenté de 18 % par rapport à celui du méthanol. Quant au compartiment générateur de vapeur d'eau 8b de la chaudière de récupération 8, il permet, à partir d'eau à 1 bar et 15ex, d'obtenir de la vapeur à 80 bars et 540il. Cette vapeur peut être détendue jusqu'a 15 bars dans une turbine à vapeur à contrepression 12, calée sur l'arbre 2, avant d'être injectée, par la conduite 13, dans la chambre de combustion 4 de la turbine à gaz. Cela, de façon connue en soi, permet d'augmenter encore le rendement de la turbine, et surtout d'en augmenter la puissance spécifique1 cette dernière augmentation étant pratiquement dans la proportion du taux de vapeur injectée. L'utilisation de la turbine à contrepression 12 contribue aussi à l'obtention d'un bon rendement, moyennant un investissement modéré. Elle n'est pas indispensable à la présente invention, mais permet d'envisager un démarrage rapide du turbo-alternateur. Les valeurs de pressions et températures qui viennent d'être données, pour les gaz et vapeur sortant de la chaudière de récupération 8, supposent une température des fumées, à l'échappement de la turbine à gaz, de 618*C, valeur nettement supérieure aux valeurs actuellement atteintes mais possible à obtenir avec de nouvelles turbines, climatisées à l'eau ou même à l'air, envisageables dans les prochaines années. La figure 2 montre, également à titre d'exemple, quelle pourrait être la constitution générale de la chaudière de récupération 8. On a indiqué sur ce schéma l'échelonnement des températures des fumées de l'entrée (618'C) à la sortie de la chaudière (121,5'C). Le compartiment 8a de vaporeformage comporte, à partir de l'amenée d'eau à 15il, deux économiseurs, BP référencé 14 et HP référencé 15, ce dernier étant branché sur un évaporateur d'eau 16. La vapeur d'eau à 221C est alors injectée dans le réacteur chimique à catalyse 17. Ce réacteur est alimenté par ailleurs en vapeur de méthanol à 174-C par un évaporateur de méthanol 18. De même que pour l'eau, entre l'amenée de méthanol à 15'C et cet évaporateur sont disposés deux économiseurs de réchauffage du méthanol liquide, BP référencé 19 et HP référencé 20. Les températures d'entrée et de sortie des différents économiseurs sont également indiquées sur le schéma. Le mélange combustible reformé s'échappe du réacteur 17, comme indiqué plus haut, à la température de 500 C et sous 22 bars (sortie 10). Le compartiment générateur de vapeur d'eau 8k comporte quant à lui, à partir de l'amenée d'eau à 15-C, un économiseur BP référencé 21, un économiseur HP référencé 22, un évaporateur d'eau 23 et un surchauffeur 24, lequel amène la vapeur de 296-C à sa température de sortie de 540 C sous 80 bars (sortie 11). En 25, on a désigné une sortie d'eau de l'économiseur 22, cette eau servant à la climatisation de la turbine 1. L'ensemble des échangeurs utilisés dans la chaudière de récupération pourront être du type à tubes ailetés en acier ordinaire. Comme on le voit par ailleurs d'après les températures indiquées sur la figure 2, les économiseurs BP 14, 19 et 21 sont de type antiméthodique à mélange, ceci pour éviter le risque de condensation des fumées à la surface des tubes, et de corrosion par l'acide carbonique, ce qui pourrait obliger à effectuer un traitement des tubes. Au contraire, les économiseurs HP 15,20 et 22 peuvent être de type méthodique ; il en est de même pour le surchauffeur 24 et le réacteur chimique 17, dont les tubes contiennent le catalyseur. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précèdes l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de 'production d'énergie motrice ou électrique du type mettant en oeuvre une turbine à gaz, caractérisé en ce que l'on utilise un combustible susceptible d'être reformé à la vapeur, en particulier tel que le méthanol ou un alcool d'un autre groupe', et en ce que les fumées d'échappement à haute température de la turbine sont utilisées, dans une chaudière de récupération, par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur, d'une part pour alimenter en vapeur d'eau et en vapeur dudit combustible un réacteur chimique de reformage catalytique -de ce combustible à la vapeur, et d'autre part pour la production de vapeur d'eau propre à être injectée dans la chambre de combustion de ladite turbine. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vapeur d'eau est injectée dans la chambre de combustion de ladite turbine à gaz après détente dans une turbine à vapeur. 3. Installation de production d'énergie motrice ou électrique pour la mise en oeuvre d'un procédé conforme à la revendication 1, du type comportant une turbine à gaz en tant que générateur d'énergie motrice principal, alimentée par une chambre de combustion, caractérisée en ce qu'elle comporte une chaudière de récupération (8) traversée par les fumées d'échappement de ladite turbine (1), cette chaudière comprenant un compartiment (8a) de reformage à la vapeur d'un combustible vaporeformable, en particulier tel que le méthanol ou un alcool d'un autre groupe, et un compartiment (8b) générateur de vapeur d'eau, le mélange combustible produit par le vaporeformage ainsi que la vapeur d'eau alimentant ladite chambre de combustion (4). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une turbine à contrepression (12) propre d'une part à détendre la vapeur d'eau produite par ledit compartiment (8b) générateur de vapeur, avant son injection dans ladite chambre de combustion (4), et d'autre part à participer à la création de l'énergie motrice.