Brevet FR2914011A1 — publié le 20080926

CENTRALE ELECTRIQUE A PRESSION ATMOSPHERIQUE DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de centrale électrique à haut rendement équipée d'un réchauffeur d'air fonctionnant à haute température et à une pression voisine de la pression atmosphérique, particulièrement adaptée à l'utilisation de combustibles industriels résiduaires tels des gaz sidérurgiques, de combustibles contenant des impuretés et qui en conséquence ne peuvent pas être directement utilisables dans des turbines à gaz, ou de combustibles solides tels que la biomasse ou le charbon ; pour ces types de combustibles, elle permet l'obtention de rendements très élevés, largement supérieurs à ceux obtenus dans les centrales à combustion classiques. Les centrales électriques classiques destinées à brûler ces types de combustibles sont en général équipées de générateurs de vapeur. Ces générateurs de vapeur sont eux-mêmes constitués de faisceaux tubulaires fonctionnant à haute pression, qui sont donc soumis à des contraintes mécaniques très importantes et, en conséquence, qui ne permettent pas de réchauffer la vapeur à des températures supérieures à 550/600 C ; pour des températures plus élevées, le métal des tubes d'échangeurs flue ou se rompt sous l'effet combiné des contraintes mécaniques et de la température du métal. Les conséquences directes de cette limitation dans la combinaison de pression et de température élevées sont des rendements électriques faibles, inférieure à 30 % en général pour les centrales électriques à biomasse par exemple, avec des coûts d'équipements particulièrement élevés lorsque l'on se rapproche de 500 à 600 C, du fait de l'usage intensif de matériaux très nobles (aciers inoxydables, incoloy,..). Le procédé selon l'invention permet de remédier à ces limitations de température et à ces coûts d'installation excessifs par l'utilisation d'un réchauffeur d'air constitué d'un échangeur de chaleur ou d'un four à haute température et permettant de réchauffer de l'air de procédé à une pression voisine de la pression atmosphérique, à l'aide d'un fluide primaire, c'est-à-dire un fluide chaud ou des fumées de combustion, lui aussi à une pression voisine de là pression atmosphérique ; le réchauffeur d'air n'est donc soumis à aucune différence de pression importante et ne subit donc aucune contrainte mécanique importante; il peut donc supporter des températures particulièrement élevées, permettant d'atteindre des rendements électriques très élevés. L'air de procédé chaud à la pression atmosphérique sortant du réchauffeur d'air est détendu dans une turbine entraînant un alternateur ; il en ressort à une pression de vide partiel inférieure à la pression atmosphérique, traverse un échangeur de chaleur permettant de préchauffer l'air de procédé froid venant de l'extérieur, puis est comprimé dans un compresseur d'air froid entre la pression de vide partiel et la pression atmosphérique avant d'être rejeté à l'atmosphère. 41( 1 Ce procédé, extrêmement souple, permet de brûler pratiquement tous types de combustibles ; il permet d'optimiser à la fois le rendement électrique et le coût de l'installation. Ces caractéristiques ou avantages, non limitatifs, sont complétés par ceux de la description et des exemples présentés ci-après. La présente invention a donc pour objet un procédé selon les dispositions décrites ci après. L'invention vise également les points caractéristiques et les formes de réalisations décrites en variantes. VERSION 1 Procédé représenté sur la figure 1, planche 1, comportant : -Une ligne d'aspiration d'air de procédé froid à la pression atmosphérique (1) qui alimente un échangeur de chaleur (3), -Un échangeur de chaleur (3) ou l'air de procédé froid à la pression atmosphérique venant de la ligne d'aspiration (1) est préchauffé, puis canalisé vers un réchauffeur d'air (4), au moyen de gaines d'air calorifugées et à double enveloppe refroidies à l'eau si la température le nécessite, -Un réchauffeur d'air (4) ou l'air de procédé préchauffé est encore réchauffé pour atteindre une température très élevée comprise entre 400 C et 1500 C par utilisation d'un fluide de réchauffage à une pression voisine de la pression atmosphérique lui aussi, puis canalisé vers une turbine de détente (8), au moyen de gaines d'air calorifugées et à double enveloppe refroidies à l'eau si la température le nécessite, - Une turbine de détente (8) accouplée à un alternateur, ou l'air de procédé chaud est détendu à une pression comprise entre 0,7 et 0,1 bar A, puis canalisé, au moyen de gaines d'air calorifugées et à double enveloppe refroidies à l'eau si la température le nécessite, vers un échangeur de chaleur (3) afin de préchauffer l'air de procédé froid à la pression atmosphérique provenant de la ligne d'aspiration (1), puis enfin, en sortie de cet échangeur de chaleur (3), l'air de procédé détendu est canalisé vers un compresseur d'air (11), au moyen de gaines d'air. -Un compresseur d'air (11) ou l'air de procédé détendu est comprimé à une pression très légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour être acheminé, au moyen de gaines d'air, vers une ligne d'évacuation (17), - Une ligne d'évacuation (17) qui permet l'évacuation de l'air de procédé vers le milieu ambiant. L'échangeur de chaleur (3) ne fonctionne pas à des températures très élevées, car la température maximale à laquelle il est soumis est celle de l'air de procédé chaud en sortie de la turbine de détente (8), c'est-à-dire de l'air dont la température a déjà baissée lorsqu'il a traversé de cette turbine ; par ailleurs, les tubes et les parois de cet échangeur de chaleur ne sont pas soumis à des différences de pression supérieures à 1 bar, et les contraintes mécaniques sont donc très faibles, cet échangeur peut donc être constitué de matériaux classiques tels que de l'acier au carbone pour les parties soumises à des températures inférieure à 450 C, et de matériaux résistant bien aux hautes températures, tels que de l'acier allié ou de l'incoloy pour les parties soumises à des températures plus élevées. Par contre le réchauffeur d'air (4) fonctionne à une température très élevée, mais à des pressions voisines de la pression atmosphérique pour les deux fluides qui le traversent ; les parties soumises à des températures supérieures à 450 C sont constitué de matériaux résistant bien aux très hautes températures, tels que de l'acier allié, du carbure de silicium, ou de la céramique, et les autres parties soumises à des températures inférieures peuvent indifféremment être construites soit dans le même matériaux soit dans tout autre matériaux adapté tel que de l'acier au carbone. Un tel procédé est applicable dans divers procédés industriels tels que la sidérurgie, ou les rejets d'air très chauds des unités d'agglomération, d'extinction du coke, ou de refroidissement des laitiers, peuvent être utilisés comme fluide de réchauffage chaud ; il permet par exemple de réaliser des installations de cogénérations en utilisant la part de chaleur à haute température du fluide de réchauffage pour produire de l'énergie électrique, puis en utilisant le reliquat de chaleur du fluide de réchauffage disponible à basse température pour réchauffer à basse température un 1 o fluide quelconque. A titre d'exemple de réalisation, une installation utilisant 40 kg/seconde d'air de procédé et recevant 27 kg/seconde d'air chaud à 950 C provenant d'une unité de refroidissement des laitiers dans une usine sidérurgique permet de générer près de 5MW électriques et 16 tonnes par heure de vapeur à 5 bar effectifs et 250 C, avec un réchauffeur d'air (4) à tubes en céramique 15 dont les dimensions ne dépassent pas 3,5m x 3,5m x 7,0m, une turbine de détente (8) fonctionnant entre 1 barA et 0,4 barA, un compresseur (11) fonctionnant entre 0,4 barA et 1 barA, et un échangeur de chaleur (3) en acier au carbone dont les dimensions seraient de 4m x 4m x 11 m. 20 DANS UNE VARIANTE 2 de la version 1, représentée sur la figure 2.1, le réchauffeur d'air (4) fait partie d'un four (6) détaillé sur la figure 2.2 dans lequel est brûlé un combustible et ou les fumées de combustion constituent le fluide de réchauffage, le réchauffeur d'air (4) étant lui-même constitué soit de tubes en carbure de silicium ou en céramique soit d'un empilement de briques alvéolées ou de plaques en carbure de silicium ou en céramique telles que représentées 25 sur le détail de la figure 2.2 dans lesquelles l'air de procédé et les fumées de combustion, tous deux à une pression voisine de la pression atmosphérique, circulent chacun dans des alvéoles adjacentes, des collecteurs d'entrée et de sortie permettant de regrouper les flux d'air de procédé ou de fumées de combustion aux extrémités du réchauffeur d'air (4). Indépendamment du réchauffeur d'air (4), le four (6) peut comporter d'autres faisceaux 30 échangeurs de chaleur tels qu'un réchauffeur d'air de combustion (6.1) ou des faisceaux de récupération de chaleur permettant d'améliorer le rendement thermique du four en utilisant la chaleur excédentaire des fumées; ces faisceaux peuvent indifféremment être constitués de matériaux adaptés tels que des tubes en acier ou, par mesure de facilité de fabrication, du même type d'empilement de briques ou de plaques que pour le réchauffeur d'air de procédé. 35 Le procédé selon l'invention équipé de ce type de four est particulièrement bien adapté à des centrales électriques fonctionnant avec des combustibles industriels résiduaires, des combustibles solides, de la biomasse, ou du charbon, dont les fumées contiennent des poussières ou des éléments chimiques susceptibles de nuire au fonctionnement des turbines à gaz classiques. 4o A titre d'exemple de réalisation, une installation utilisant 40 kg/seconde d'air de procédé et brûlant du bois permet de générer près de 4,1 MW électriques avec un rendement de 33,7%, à l'aide d'un four (6) comportant un réchauffeur d'air (4) en briques de céramique dont les dimensions ne dépassent pas 3,5m x 3,5m x 3,5m et un réchauffeur d'air de combustion, d'une turbine de détente (8) fonctionnant entre 1 barA et 0,4 barA,d'un compresseur (11) fonctionnant 3 entre 0,4 barA et 1 barA, et d'un échangeur de chaleur (3) en acier au carbone de dimensions 4m x4mx 11m. DANS UNE VARIANTE 3 de la version 2, représentée sur la figure 3, l'air de procédé détendu en sortie de l'échangeur de chaleur (3) est refroidi par un échangeur de refroidissement (9) afin de diminuer la puissance mécanique consommée par le compresseur (11), l'échangeur de refroidissement (9) pouvant indifféremment utiliser comme fluide réfrigérant de l'air, de l'eau, ou tout autre fluide froid disponible. A titre d'exemple de réalisation, le rendement électrique de l'installation décrite dans l'exemple de la variante 2 passe de 33,7% à 36,7% lorsqu'un aéro-réfrigérant (9) refroidit l'air de procédé détendu en sortie de l'échangeur de chaleur (3) de 56 C à 30 C. DANS UNE VARIANTE 4 de la version 2, représentée sur la figure 4, de l'eau pulvérisée est injectée dans l'air de procédé détendu à l'entrée du compresseur (11) à l'aide de pulvérisateurs (10) afin refroidir l'air de procédé lors de sa compression et de diminuer ainsi la puissance mécanique consommée par le compresseur (11). A titre d'exemple de réalisation, le rendement électrique de l'installation décrite dans l'exemple de la variante 2 passe de 33,7% à 39,6% lorsque 2,1 kg/seconde d'eau sont injectés à l'entrée du compresseur (11) à l'aide des buses de pulvérisation (10). DANS UNE VARIANTE 5 de la version 3, représentée sur la figure 5, de l'eau pulvérisée est injectée dans l'air de procédé détendu entre la sortie de l'échangeur de refroidissement (9) et l'entrée du compresseur (11) à l'aide de pulvérisateurs (10) afin de diminuer ainsi la puissance mécanique consommée par le compresseur (11). L'utilisation simultanée de l'échangeur de refroidissement ((9) et des pulvérisateurs (10) permet de diminuer à la fois la consommation d'eau et la puissance mécanique consommée par le compresseur (11). A titre d'exemple de réalisation, le rendement électrique de l'installation décrite dans l'exemple de la variante 2 passe de 33,7% à 40,5% lorsque qu'à la fois un aéro-réfrigérant (9) refroidit l'air de procédé détendu en sortie de l'échangeur de chaleur (3) de 56 C à 30 C, et que seulement 1,9 kg/seconde d'eau sont injectés à l'entrée du compresseur (11) à l'aide des buses de pulvérisation (10). DANS UNE VARIANTE 6 de la version 4, représentée sur la figure 6, un dispositif de récupération d'eau (12) est installé entre la sortie du compresseur (11) et la ligne d'évacuation (17) afin de récupérer tout ou partie de l'eau injectée par les pulvérisateurs (10) qui se retrouve sous forme de vapeur dans l'air de procédé en sortie du compresseur (11), le dispositif de récupération d'eau (12) étant constitué par un laveur d'air de procédé (13) comportant une circulation d'eau froide pulvérisée qui permet la condensation de la vapeur contenue dans l'air de procédé et sa récupération sous forme d'eau, la circulation de l'eau froide étant assurée par une pompe (15) et son refroidissement étant assuré par un échangeur de chaleur (14) alimenté par de l'eau de refroidissement. L'eau provenant de la condensation de la vapeur se retrouve en excédent dans le flux d'eau froide pulvérisée ; elle est donc extraite de ce flux, et une partie est évacuée vers une purge (16) tandis que l'excédent est utilisé dans les buses de pulvérisation (10) ; Le dispositif de 4 récupération d'eau (14), peu coûteux, permet de minimiser la consommation d'eau qui représente un coût non négligeable dans les coûts d'exploitation des centrales électriques. A titre d'exemple de réalisation, la consommation d'eau de l'installation décrite dans l'exemple de la variante 4 passe de 2,1 k/seconde à 0,2 kg/seconde lorsqu'un dispositif de récupération d'eau (12) dimensionné avec une circulation d'eau froide pulvérisée de 220 kg/seconde est installé entre la sortie du compresseur (11) et la ligne d'évacuation (17). DANS UNE VARIANTE 7 de la version 5, représentée sur la figure 7, le même dispositif de récupération d'eau (12) que celui de la variante (6) est installé entre la sortie du compresseur (11) et la ligne d'évacuation (17). L'utilisation cumulée de l'échangeur de refroidissement (9), des pulvérisateurs (10), et du dispositif de récupération d'eau (12), permet à la fois d'optimiser le rendement électrique de la centrale et de réduire au minimum sa consommation d'eau. A titre d'exemple de réalisation, la consommation d'eau de l'installation décrite dans l'exemple de la variante 5 passe de 1,9 k/seconde à 0,2 kg/seconde lorsqu'un dispositif de récupération d'eau (12) dimensionné avec une circulation d'eau froide pulvérisée de 200 kg/seconde est installé entre la sortie du compresseur (11) et la ligne d'évacuation (17). APPLICATIONS INDUSTRIELLES de L'INVENTION La présente invention s'applique essentiellement aux centrales électriques à combustion destinées à brûler des combustibles solides ou des combustibles fatals pollués, et accessoirement à des centrales électriques utilisant de l'air chaud résiduaire pour fonctionner en cogénération. Il permet à la fois de baisser le coût des investissements, de baisser les coûts d'exploitation, d'accroître les rendements électriques des installations, et en conséquences de limiter les émissions de polluants ; quelques exemples non limitatifs sont cités ci-après : 1-Centrales électriques fonctionnant au charbon, 2-Centrales électriques fonctionnant à la biomasse telle que du bois ou de la bagasse, 3-Centrales électriques fonctionnant avec des combustibles industriels fatals inutilisables dans des turbines à gaz tels que les gaz sidérurgiques ou les gaz de hauts fourneaux, 4-Centrales électriques utilisant des rejets industriels très chauds tels que l'air très chaud des unités d'agglomération, d'extinction du coke, ou de refroidissement des laitiers, dans des usines sidérurgiques, et fonctionnant en cogénération pour produire simultanément de l'électricité et de l'eau chaude. 5 REVENDICATIONS 1-Procédé concernant une centrale électrique à haut rendement équipée d'un réchauffeur d'air fonctionnant à haute température et à une pression voisine de la pression atmosphérique, particulièrement adaptée à l'utilisation de combustibles industriels résiduaires, de combustibles contenant des impuretés, ou de combustibles solides tels que la biomasse ou le Charbon, caractérisé en ce qu'il comprend : -Une ligne d'aspiration d'air de procédé froid à la pression atmosphérique (1) qui alimente un échangeur de chaleur (3), -Un échangeur de chaleur (3) ou l'air de procédé froid à la pression atmosphérique venant de la ligne d'aspiration (1) est préchauffé, puis canalisé vers un réchauffeur d'air atmosphérique (4), au moyen de gaines d'air calorifugées et à double enveloppe refroidies 1.5 à l'eau si la température le nécessite, - Un réchauffeur d'air (4) ou l'air de procédé préchauffé est encore réchauffé pour atteindre une température très élevée comprise entre 400 C et 1500 C par utilisation d'un fluide de réchauffage à une pression voisine de la pression atmosphérique lui aussi, puis canalisé vers une turbine de détente (8), au moyen de gaines d'air calorifugées et à double 20 enveloppe refroidies à l'eau si la température le nécessite, - Une turbine de détente (8) accouplée à un alternateur, ou l'air de procédé chaud est détendu à une pression comprise entre 0,7 et 0,1 bar A, puis canalisé, au moyen de gaines d'air calorifugées et à double enveloppe refroidies à l'eau si la température le nécessite, vers un échangeur de chaleur (3) afin de préchauffer l'air de procédé froid à la pression 25 atmosphérique provenant de la ligne d'aspiration (1), puis enfin, en sortie de cet échangeur de chaleur (3), l'air de procédé détendu est canalisé vers un compresseur d'air (11), au moyen de gaines d'air. -Un compresseur d'air (11) ou l'air de procédé détendu est comprimé à une pression très légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour être acheminé, au moyen de gaines 30 d'air, vers une ligne d'évacuation (17), - Une ligne d'évacuation (17) qui permet l'évacuation de l'air de procédé vers le milieu ambiant. 2- Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le réchauffeur d'air (4) fait partie d'un four (6) dans lequel est brûlé un combustible et ou les fumées de combustion constituent le 35 fluide de réchauffage, le réchauffeur d'air (4) étant lui-même constitué soit de tubes en carbure de silicium ou en céramique soit d'un empilement de briques alvéolées ou de plaques en carbure de silicium ou en céramique dans lesquelles l'air de procédé et les fumées de combustion, tous deux à une pression voisine de la pression atmosphérique, circulent chacun dans des alvéoles adjacentes, des collecteurs d'entrée et de sortie permettant de regrouper les flux d'air de procédé ou de fumées de combustion aux extrémités du réchauffeur d'air (4). 3- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'air de procédé détendu en sortie de l'échangeur de chaleur (3) est refroidi par un échangeur de refroidissement (9) afin de 45 diminuer la puissance mécanique consommée par le compresseur (11), l'échangeur de 6refroidissement (9) pouvant indifféremment utiliser comme fluide réfrigérant de l'air, de l'eau, ou tout autre fluide froid disponible. 4- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que de l'eau pulvérisée est injectée dans l'air de procédé détendu à l'entrée du compresseur (11) à l'aide de pulvérisateurs (10) afin refroidir l'air de procédé lors de sa compression et de diminuer ainsi la puissance mécanique consommée par le compresseur (11). 5- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que de l'eau pulvérisée est injectée dans l'air de procédé détendu entre la sortie de l'échangeur de refroidissement (9) et l'entrée du compresseur (11) à l'aide de pulvérisateurs (10) afin de diminuer ainsi la puissance fo mécanique consommée par le compresseur (11). 6- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de récupération d'eau (12), installé entre la sortie du compresseur (11) et la ligne d'évacuation (17), afin de récupérer tout ou partie de l'eau injectée par les pulvérisateurs (10) qui se retrouve sous forme de vapeur dans :l'air de procédé en sortie du compresseur (11), le 15 dispositif de récupération d'eau (12) étant constitué par un laveur d'air de procédé (13) comportant une circulation d'eau froide pulvérisée qui permet la condensation de la vapeur contenue dans l'air de procédé et sa récupération sous forme d'eau, la circulation de l'eau froide étant assurée par une pompe (15) et son refroidissement étant assuré par un échangeur de chaleur (14) alimenté par de l'eau de refroidissement. 20 7- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de récupération d'eau (12), installé entre la sortie du compresseur (11) et la ligne d'évacuation (17), afin de récupérer tout ou partie de l'eau injectée par les pulvérisateurs (10) qui se retrouve sous forme de vapeur dans l'air de procédé en sortie du compresseur (11), le dispositif de récupération d'eau (12) étant constitué par un laveur d'air de procédé (13) 25 comportant une circulation d'eau froide pulvérisée qui permet la condensation de la vapeur contenue dans l'air de procédé et sa récupération sous forme d'eau, la circulation de l'eau froide étant assurée par une pompe (15) et son refroidissement étant assuré par un échangeur de chaleur (14) alimenté par de l'eau de refroidissement. 30 35 7