Brevet FR2577034A1 — publié le 19860808

i L'invention est-relative à un procédé et à un dispositif pour la production et la récupération de chaleur au moyen d'échangeurs de chaleur. Dans une série d'applications industrielles comme la ga- zéification du charbon au moyen d'air ou d'oxygène et de vapeur d'eau, la conversion des gaz, par exemple, la décom- position du méthane en un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène, ainsi que la décomposition de l'eau par des pro- cédés thermochimiques ou par l'électrolyse à température él.e- vée, il. estnécessaire de préchauffer les matières de départ introduites comme P'air, Il'oxygène ou les-autres gaz tels que]a vapeur d'eau à des températures élevées. Ainsi, par exemple, dans le cas de la gazéification du charbon par voie d'oxydation, il. s'agit d'un procédé endo- thermique comportant une combustion infrastoechiométriqueo Cette gazéification par voie d'oxydation peut être effectuée au moyen d'air ou d'oxyg3ne grâce à l'addition de vapeur d'eau. Les températures élevées nécessaires à la gazéifi- cation peuvent être obtenues uniquement par une combustion partiell]]e du charbon ou bien par une combustion partielle du charbon et un préchauffage de P'air ou de l'oxygène nécessaire à la gazéification, et de].a vapeur d'eau injec- tée. Une température de préchauffage élevée pour l'air ou J'oxygène et pour la vapeur d'eau favorise la cinétique de la réaction. Une telle température de préchauffage élevée de l'air, de l'oxygène, d'autres gaz et de la vapeur d'eau peut 9tre obtenue, si]'on brûle une partie du gaz obtenu par la ga- zéification du charbon pour chauffer des dispositifs de préchauffage de] 'air, de l'oxygène ou du gaz, ainsi qu'un surchauffeur de vapeur. Cette partie du gaz produit est évidemment perdue pour d'autres procédés de sorte que l'installation de gazéification doit être dimensionnée non seulement pour une certaine quantité de gaz produit, mais aussi pour la production du gaz combustible nécessaire au préchauffage. Par ailleurs, il y a également lieu de prévoir entre ]'installation de gazéification et l'installation de préchauf- fage, des conduits destinés à]'air ou à l'oxygène préchauffé ainsi qu'à la vapeur d'eau surchauffée. Dans ces conduits apparaissent des pertes de charge, des pertes calorifiques et des dilatations thermiques, qui dépendent des débits et des pressions et qui exigent des dépenses élevées en maté- riaux. Il faut y ajouter l'encombrement des conduits. Les remarques sont analogues pour la conversion des gaz, par exemple, la décomposition de méthane en monoxyde de car- bone et en hydrogène, alors que, dans le cas de la décompo- sition-de]'eau, l'énergie de réaction nécessaire doit être fournie de] 'extérieur. Il est commun aux trois cas que ]'adduction de chaleur à un niveau de températures élevé fa- cilite le procédé ou même le rend possible. Le but de Ia présente invention vise à fournir un pro- cédé et un dispositif pour la production et la récupération de chaleur, grâce auxquels il est possible de transporter de la chaleur à un niveau de température élevé avec des pertes de charge et des pertes calorifiques peu élevées, ainsi que sans dépenses d'installation particulières, le rendement de la production et de la récupération de la cha- leur, ainsi que celui du procédé correspondant. devant être le plus élevé possible. Le but de la présente invention est atteint, dans le cas d'un procédé du type susmentionné, par l'utilisation d'un support de chaleur liquide &i des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées, de préférence du sodium, qui présente une capacité calorifique élevée et une con- ductibilité thermique remarquable. Le sodium peuten cir- cuit ferméfcapter de la chaleur à température élevée d'une source et transporter, sous des pressions peu élevées, d'énormes quantités de chaleur dans des conduits de faible section et la transférer aux matières de départ, dans des échangeurs de chaleur. Etant donné que le sodium est]i- quide à 1000 C et ne bout, sous pression atmosphérique, qu'à environ 8900 C, il peut transporter de la chaleur dans cette gamme de températures, dans un circuit qui n'est pas sous pression, mis à part une pression destinée à équilibrer les pertes par frottement, sans qu'un changement de phase n'ait lieu. Par ai]]eurs, la température de saturation du sodium s'accroît fortement avec l'augmentation de la pres- sion, de tell]]e sorte qu'il peut également transporter, à l'état liquide, de]a chaleur à des températures plus élevées, sous des pressions relativement faibles (par exemple 1000 C sous environ 2,7 bars). Des faibles sec- tions de conduit et des pressions peu élevées permettent de résoudre, grâce à].'uti].isation du sodium, les diffi- cu]tés de dilatation thermique, d'isolation thermique et de résistance des matriaux, dans]e cas de distances de transport de la chaleur à niveau de température élevé, com- me elles apparaissent dans les procédés susmentionnés, à]'éche]].e industriell]]e. De préférence, le chauffage des dispositifs de préchauf- fage de]'air, de l'oxygène ou des autres gaz et d'un sur- chauffeur de vapeur peut être effectué par une source de chaleur tell]]e que].e courant de gaz de fumée d'un disposi- tif de combustion ou le courant de gaz d'hélium d'un réac- teur à température élevée. Le choix du courant de gaz de fumée d'une installation de combustion comme source de chaleur, présente l'avantage qui réside dans]e fait qu'on peut utiliser des combustibles quelconques aussi de moindre qualité - pour la production dudit courant de gaz de fumée dont on retire].a chaleur pour]'injecter, au moyen du circuit de sodium, dans les installations de gazéification du charbon, de conversion des gaz et de dé- composition de l'eau. Si l'on retire la chaleur du courant de gaz d'hélium d'un réacteur à température élevée, on injecte de la chaleur nucléaire dans les procédés. Si l'on effectue la gazéificatin au moyen d'air, le gaz produit atteint un pouvoir calorifique plus élevé, grâce à la température de préchauffage élevée de l'air et du sur- chauffage correspondant de la vapeur d'eau, étant donné que ]a quantité de chaleur destinée au préchauffage de l'air et au surchauffage de la vapeur d'eau n'est pas liée à la com- bustion infrastoechiométrique de l'installation de gazéifi- cation et que, par conséquent,]a fraction d'azote corres- pondant à cette partie de l'air de combustion n'est pas introduit dans le procédé de gazéification. Un transfert direct de la cha]eur des gaz de fumée ou de l'hélium aux gaz et à la vapeur d'eau, dans les installations de pro- duction de gaz et de conversion de gaz, ne peut être effec- tué, étant donné que les grands débits volumiques devraient être menés dans des installations de canalisation énormes résistant à la chaleur et aux pressions, dont]es difficul- tés de dilatation thermique, d'isolation et de résistance ne pourraient, être résolues et dont l'encombrement serait trop élevé. Etant donné que, lors de la gazéification du charbon, ]a conversion des gaz et la décomposition de] eau, des tem- pératures élevées apparaissent dans les gaz produits, on peut mettre à profit la chaleur sensible contenue dans ceux-ci, en outre, par des échangeurs de chaleur gaz produit - sodium, montés à la suite des installations de gazéification du char- bon, de conversion de gaz et de décomposition de l'eau, ainsi que par des dispositifs de préchauffage de l'air et de pro- duction de vapeur ou de surchauffage de la vapeur et par d'autres dispositifs de préchauffage de gaz, alimentés avec ]e sodium chauffé. On peut également imaginer d' échanger de la chaleur dans le cas de cycles reliés entre eux, par exemple, la gazéifi- cation du charbon au moyen d'oxygène et de vapeur d'eau et la décomposition de]'eau, entre ces cycles, via le circuit de sodium. Dans un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, on dispose également un échangeur de chaleur gaz de fumée - sodium dans la chambre de combustion d'un générateur de vapeur ou dans le courant d'hélium gazeux d'un réacteur à haute température et on alimente un dispositif de pré- chauffage de l'air et/ou de surchauffage de la vapeur et/ ou un autre dispositif de chauffage de gaz avec le sodium chauffé. Dans la chambre de combustion d'un générateur de vapeur, on se trouve en présence d'une quantité de chaleur suffi- sante, à un niveau de température élevé, pour le préchauf- fage de l'air ou de]'oxygène et le surchauffage de la vapeur, étant donné qu'ici, on atteint des températures largement supérieures à 10000 C. L'échangeur de chaleur gaz de fumée - sodium peut être agencé dans la chambre de combustion du gé- nerateur de vapeur, à un endroit avantageux pour é'échan- geur de chaleur, tandis que les parties fortement sollici- tées de la chambre de combustion du générateur de vapeur sont refroidies, comme préalablement, par de l'eau et présentent de ce fait-des températures notablement pl-us faib]es sur les parois. Un autre avantage réside dans le fait qu'il n'est pas né- cessaire d'exiger des combustibles de qualité particulière pour la combustion dans le générateur de vapeur, de tell.e sorte qu'on peut également transférer, via le circuit de so- dium, de la chaleur vers la gazéification du-charbon, qui provient d'un combustible qui ne convient éventuellement pas ou seulement très peu pour une gazéification du charbon. Il faut y ajouter la capacité thermique élevée du sodium et sa résistance à l'écoulement peu élevée, à l'état liqui- de, propriétés qui rendent le sodium particulièrement adé- quat pour un transfert de chaleur à un niveau de température élevé, sur de longues distances, comme celles que l'on trou- ve entre un générateur de vapeur et une installation de dé- gazage ou de gazéification du charbon. Transférer de telles quantités de chaleur au moyen de courants gazeux élevés est impossible à cause des difficultés résultant de la dila-' tation thermique et de l'isolation, des pertes de charge dans les courants gazeux et des dépenses de matériel desti- né aux canaux ou conduites. La conductibilité thermique élevée du sodium, par contre ainsi que son circuit de transfert de chaleur fonctionnant sans pression ou sous une faible pression permettent la construction d'échangeurs de chaleurs qui ne provoquent que de faibles pertes de charge dans les courants d'air, de vapeur ou de gaz à chauffer. Etant donné que, lors de la gazéification du charbon, des températures élevées apparaissent dans]'installation de con- version de gaz et/ou de décomposition de l'eau, on peut mettre à profit la chaleur sensible contenue dans le gaz produit, selon l'invention, au moyen d'un échangeur de cha- leur gaz produit - sodium monté à]a suite de]'installation de gazéification et/ou de conversion de gaz et/ou de décom- position de l'eau ainsi qu'au moyen d'un générateur de va- peur et/ou d'un dispositif de préchauffage de l'air, a]imen- té(s) par le sodium chauffé. L'invention est décrite plus en détails ci-après, à l'appui d'une forme d'exécution représentée sous forme d'un schéma bloc dans la figure. Dans le cas de l].'exemple, il s'agit d'une installation de gazéification du charbon combinée avec une centrale à la vapeur. Dans une installation de broyage 1, on produit de la poussière de charbon que l'on introduit dans un réacteur de gazéification 2. On soutire le gaz produit du réacteur de gazéification 2, via un conduit de gaz 3. L'air nécessaire à la gazéification est pulsé au moyen d'un compresseur 4 dans un conduit d'air 5 et atteint le réacteur de gazéifi- cation 2. Le conduit 5 comporte un dispositif de préchauf- fage de l'air 6 qui reçoit la chaleur d'un circuit de so- dium 7 qui est équipé d'une pompe de sodium 8. La vapeur d'eau nécessaire à la gazéification est produite dans un générateur de vapeur 22 qui est alimenté en eau fraîche par une pompe 23 et un conduit 24. Si on alimente le généra- teur de vapeur 22 avec de la vapeur, il agit comme un sur- chauffeur de vapeur. Le sodium récupère la chaleur des gaz de fumée de la combustion 10 d'un générateur de vapeur 11, dans le dispositif de chauffage du sodium 9. La vapeur produite dans]'évaporateur 13 du générateur de vapeur traverse d'abord un surchauffeur 14 et arrive alors dans une turbine à vapeur 16 comportant un étage haute pression et un étage basse pression. La turbine à vapeur 16 entraîne une génératrice 12. Un surchauffeur intermédiaire 15 est agencé entre] étage haute pression et I 'étage basse pression de la turbine à vapeur 13. La turbine à vapeur 16 comporte des raccords 15 qui servent à préchauffer l'eau d'alimentation dans un dispositif de préchauffage de]'eau d' alimentation 19. La vapeur sortant de la turbine à vapeur 13 se condense dans un condenseur 17, est pulsée, au moyen d'une pompe de condensat 18, dans le dispositif de préchauf- fage de l'eau d'alimentation 19 et est menée dans le généra- teur de vapeur 11 au moyen d'une pompe d'eau d'alimentation 20. Mais le circuit de sodium 7 prend également la chaleur contenue dans le gaz produit, à l'aide d'un échangeur de chaleur 21, pour la transférer, avec la chaleur provenant du dispositif de chauffage du sodium 9, au dispositif de préchauf- fage de I 'air 6, ainsi qu'au générateur de vapeur 22. Dans le schéma bloc, le dispositif de chauffage du sodium 9 logé dans]e générateur de vapeur 11 et l'échangeur de chaleur 21 alimenté avec du sodium sont montés en parallèle dans le courant gazeux, tout comme le dispositif de préchauffage de l'air 6 et le générateur de vapeur 22. Selon les quantités de chaleur et les températures, on peut prévoir des montages en série de ces échangeurs de cha- leur. Au lieu de la source de chaleur qui est alimentée dans la combustion 12 par la combustion de charbon, on peut égale- ment prévoir un réacteur à haute température dans lequel on transfert la chaleur libérée par réactions nucléaires, via un circuit d'hélium, au dispositif de chauffage du sodium 9. Dans]e cas d'une gazéification au moyen d'oxygène au lieu d'air, on alimente de l'oxygène dans l'installation de gazéifi- cation du charbon 2, via le compresseur 4 et le conduit 5, ledit oxygène étant chauffé dans le dispositif de préchauf- fage 6. Au lieu de l instailation de gazéification du charbon 2, on peut également prévoir une install]]atin de conversion de gaz ou de décomposition de l'eau. Dans ce cas,' l al]imentation de charbon provenant de]'installation de broyage 1 est omise. On préchauffe alors, dans le cas de]'installation de séparation des gaz, du méthane et, dans le cas de l'instal- lation de décomposition de]'eau, de]a vapeur d'eau ou d'autres produits chimiques grâce au circuit de sodium, jusqu'à des températures élevées. Grâce au procédé et au dispositif de]'invention, il est possible de transporter de la chaleur à un niveau de tempéra- ture élevé, provenant de charbon brdlé dans une combustion normale ou de] a fission nucléaire dans des réacteurs à haute température, de manière économique et techniquement possible, sur des distances dues aux dimensions de I 'instal- lation, dans des installations dans lesquelles se déroulent des processus endothermiques à température élevée. Parmi ceux-ci, on peut citer la gazéification du charbon, la con- version des gaz et].a décomposition de]'eau. Grâce au cir- cuit de sodium selon]'invention, on peut mettre ces procé- dés en oeuvre à l'échelle industrielle. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la production et la récupération de chaleur au moyen d'échangeurs de chaleur caractérisé par un échan- geur de chaleur comportant un support de chaleur liquide à des pressions peu élevées jusqu'à des températures élevées. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par l'utili- sation de sodium à titre de support de chaleur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaleur est soutirée du courant de gaz de fumée d'une installation de combustion. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en;ce que la chaleur est soutirée du courant.d'hélium gazeux provenant d'un réacteur à haute température. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la chaleur est récupérée dans l.e courant de gaz pro- duit dans une installation de gazéification de charbon. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la chaleur est récupérée dans le courant de gaz pro- duit dans une installation de conversion des gaz. 7. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la chaleur est récupérée dans le-courant de gaz pro- duit dans une installation de décomposition de l'eau 8. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon les revendications 3 et 4, caractérisé par un échangeur de chaleur gaz de fumée - sodium (9) logé dans la chambre de combustion d'un générateur de vapeur ou dans le courant d'hélium gazeux provenant d'un réacteur à haute tempéra- ture et par un dispositif de préchauffage de l'air (6) alimenté par le sodium chauffé et/ou un dispositif de sur- chauffage de la vapeur (22) et/ou d'autres dispositifs de chauffage de gaz. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon les revendications 5, 6 et 7, caractérisé par un échangeur de chaleur gaz produit - sodium (1) monté à la suite d'une installation de gazéification du charbon (2) et/ou d'une installation de conversion des gaz et/ou d'une installation de décomposition de l'eau et par un géné- rateur de vapeur (22) et/ou un dispositif de préchauffage de l'air (6) et/ou d'autres dispositifs de chauffage de gaz, alimenté(s) avec le sodium chauffé.