Brevet FR2934993A1 — publié le 20100219

Valorisation de la chaleur des fumées d'un four à verre à l'aide d'un compresseur thermocinétique Dans un four à verre avec combustion à l'air, la température élevée (vers 1200°C) des fumées est généralement récupérée, au moins partiellement, pour préchauffer l'air de combustion à l'aide de régénérateurs. On utilise des matériaux de type céramique pour ces générateurs. Dans le cas d'un four à verre avec combustion à l'oxygène (oxycombustion), on ne peut pas utiliser le système précédent : la présence de poussières dans les fumées ne permet pas un chauffage direct de l'oxygène à cause du risque d'inflammation des poussières. Il est donc difficile de récupérer l'énergie thermique contenue dans les fumées d'un four à verre en oxycombustion. Dans le cas d'une oxycombustion, la chaleur des fumées est : ^ soit perdue ^ soit partiellement valorisée dans une chaudière de récupération pour faire de la vapeur, qui sera turbinée pour faire de l'électricité ou utiliser pour préchauffer du fioul (par exemple): la taille modeste de la chaudière donne des rendements médiocres et à un coût relativement élevé. La présence de poussières et éventuellement le risque de dépôt de sulfate et/ou de condensat de substance de type métallique dans une tranche de température 800°C ù 400°C compliquent l'exploitation, et oblige parfois à utiliser un niveau de température relativement faible par rapport à la température initiale des fumées (par exemple, trempe avec de l'air ambiant), d'où une dégradation accrue du rendement de conversion. ^ soit utilisée partiellement pour préchauffer l'oxygène et le gaz naturel de combustion de façon indirecte à l'aide d'échangeurs Fumées-Air de type radiatif, puis d'échangeurs convectifs Air-Oxygène (avec des contraintes matériaux importantes) et Air-Gaz Naturel. On peut aussi envisager de combiner les deux dernières options. Selon l'invention, on valorise le haut niveau de température des fumées d'un four à verre, alimenté de préférence par de l'oxygène, dans un compresseur 35 thermocinétique : soit directement : les fumées sont détendues dans une turbine couplée à une génératrice, qui est tirée au vide dans le compresseur thermocinétique soit indirectement : les fumées chauffent l'air qui va être comprimé, puis utilisé pour la distillation cryogénique pour fournir l'oxygène et/ou détendu dans une turbine couplée à une génératrice. Or l'énergie thermique a priori disponible est largement excédentaire par rapport au besoin pour produire l'oxygène par séparation cryogénique, et éventuellement l'hydrogène par électrolyse de l'eau pour un four � verre plat �, même en appliquant un rendement de conversion dégradé par rapport au cycle de Carnot. On a alors tout intérêt à récupérer cette énergie qui permettrait de produire pour ainsi dire gratuitement (en termes de dépense énergétique) l'oxygène et l'hydrogène, rendant l'oxycombustion très attractive. L'invention exploite un compresseur décrit dans FR-A- 2 805 008. Le principe repose sur le refroidissement d'un gaz par vaporisation d'eau en fines gouttelettes, puis de sa compression, le tout en utilisant un arrangement de tuyères convergentes et divergentes, selon la Figure 1. Des applications de ce compresseur sont connues de FR 07 58809, FR07 59299, FR07 59863 et FR08 50771. Un compresseur thermocinétique comprime un gaz en l'accélérant jusqu'à une vitesse élevée, de préférence supérieure à 330 m/s, en le refroidissant, par exemple par contact direct avec des gouttelettes d'eau, et en le ralentissant. Le refroidissement peut avoir lieu avant, pendant ou après l'accélération. L'accélération peut être produite en forçant le gaz à passer dans un col, par exemple un col de Laval. De même pour décélérer le gaz, il est passe dans un deuxième col, par exemple un col de Laval. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de production d'énergie par détente d'un fluide constitué par des fumées d'un four à verre et/ou de l'air chauffé par fumées d'un four à verre caractérisé en ce que le fluide est comprimé en aval et/ou en amont de l'étape de détente par compression thermocinétique. Optionnellement : - on refroidit le fluide en amont de l'étape de détente. - on refroidit le fluide par mélange avec un fluide moins chaud ou par compression thermocinétique. - on comprime le fluide en aval de la détente par compression thermocinétique. - le fluide est de l'air chauffé par les fumées d'un four à verre et l'air comprimé par compression thermocinétique est envoyé à un appareil de séparation d'air qui envoie éventuellement de l'oxygène au four à verre. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de production d'énergie comprenant une turbine de détente d'un fluide constitué par des fumées d'un four à verre et/ou de l'air chauffé par fumées d'un four à verre caractérisé en ce qu'un compresseur thermocinétique du fluide est connecté en aval et/ou en amont de la turbine de détente. L' appareil peut comprendre des moyens de refroidissement du fluide en amont de la turbine de détente. Les moyens de refroidissement peuvent être constitués par des moyens de mélanger le fluide avec un fluide moins chaud et/ou par un compresseur thermocinétique. Eventuellement un compresseur thermocinétique est en aval de la turbine de détente. L'appareil peut comprendre un échangeur où s'échauffe de l'air par échange de chaleur avec les fumées d'un four à verre et un appareil de séparation d'air en aval du compresseur thermocinétique, l'appareil de séparation d'air étant éventuellement relié au four à verre pour y envoyer de l'oxygène. L'arrangement de base selon l'invention est celui de la Figure 2. Des fumées 1 sont produites par un four à verre, de préférence alimenté par de l'oxygène. Le compresseur thermocinétique 11 tire au vide les fumées 1 ce qui permet de les détendre dans une turbine chaude 3 couplée par exemple à une génératrice pour faire de l'électricité. Les turbines classiquement disponibles sur le marché ont une température maximum d'entrée d'environ 700°C. On peut alors proposer les deux schémas des Figures 3 et 4 : La Figure 3 représente une trempe à l'air pour abaisser le niveau de température des fumées. Ainsi les fumées 1 à 1200°C sont mélangées à l'air atmosphérique 5 pour former un mélange 6 à 700°C. Le mélange 6 est détendu dans une turbine 3 et le débit détendu 7 dans la turbine est envoyé au compresseur thermocinétique 11 puis rejeté à l'atmosphère. Dans la Figure 4, il y a une pré-compression des fumées 1 à 1200°C avec un premier compresseur thermocinétique 11A, tout en refroidissant les fumées vers 700°C, puis une détente dans une turbine chaude 3, tirée au vide par un deuxième compresseur thermocinétique 11B. Le deuxième compresseur thermocinétique 11B peut être optionnel, si on accepte une détente avec une turbine � tiède �. Comme le compresseur thermocinétique n'a pas de pièce mobile en rotation rapide, il est plus facile de le fabriquer pour qu'il supporte des niveaux de température (1200°C) plus élevés que pour une turbine. On peut aussi combiner l'usage du compresseur thermocinétique avec un système de préchauffage de l'oxygène comme décrit dans l'état de l'art. La difficulté dans la méthode directe de la Figures 2 est la présence de poussières et le risque de dépôt de sulfate : • On peut réduire le risque de dépôt de sulfate : par une trempe à l'air jusqu'à 400°C, puis turbine chaude, suivi d'un compresseur thermocinétique (Figure 3) par une trempe à l'eau en utilisant le compresseur thermocinétique, celui-ci n'ayant pas de partie mobile et le gaz étant refroidi brusquement par la buse d'injection 15d'eau ; puis turbine chaude à 400°C, suivi optionnellement d'un second compresseur thermocinétique (Figure 4). • Si les poussières sont trop grosses et risquent de faire de l'érosion dans la turbine (machine tournante) ou dans le compresseur thermocinétique (vitesse supersonique dans certaines configurations), il faut imaginer un système de 20 traitement des fumées à haute température ou utiliser la méthode indirecte de l'invention. La méthode indirecte consiste à chauffer de l'air ambiant dans un échangeur contre les fumées, par exemple de type radiatif, jusqu'à par exemple 750°C environ. Avec cet air chaud, on peut : 25 ^ soit utiliser les procédés des Figures 2 à 4, le débit 1 étant de l'air ambiant ^ soit comprimer l'air ambiant à l'aide d'un compresseur thermocinétique, pour être ensuite envoyé sous pression vers une unité de séparation (généralement cryogénique) de l'air pour obtenir l'oxygène nécessaire à 30 l'oxycombustion. Si nécessaire, un complément de pression et/ou de débit d'air pourra être réalisé par un compresseur classique. L'air ambiant pourra éventuellement être filtré, par exemple à l'aspiration du système, pour avoir des tailles de particules compatibles avec la technologie de turbine choisie. On peut aussi combiner l'usage du compresseur thermocinétique avec un système de préchauffage de l'oxygène comme décrit dans l'état de l'art. Les méthodes directes et indirectes peuvent être combinées sur un même four. Revendications1. Procédé de production d'énergie par détente d'un fluide constitué par des fumées (1) d'un four à verre et/ou de l'air chauffé par fumées d'un four à verre caractérisé en ce que le fluide est comprimé en aval et/ou en amont de l'étape de détente par compression thermocinétique. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on refroidit le fluide en amont de l'étape de détente. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel on refroidit le fluide par mélange avec un fluide moins chaud ou par compression thermocinétique. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel on comprime le fluide en aval de la détente par compression thermocinétique. 5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide est de l'air chauffé par les fumées d'un four à verre et l'air comprimé par compression thermocinétique est envoyé à un appareil de séparation d'air qui envoie éventuellement de l'oxygène au four à verre. 6. Appareil de production d'énergie comprenant une turbine de détente (3) d'un fluide constitué par des fumées d'un four à verre et/ou de l'air chauffé par fumées d'un four à verre caractérisé en ce qu'un compresseur thermocinétique (11A,11 B) du fluide est connecté en aval et/ou en amont de la turbine de détente. 7. Appareil selon la revendication 6 comprenant des moyens de refroidissement (11A) du fluide en amont de la turbine de détente. 8. Appareil selon la revendication 7 dans lequel les moyens de refroidissement sont constitués par des moyens de mélanger le fluide avec un fluide moins chaud (5) et/ou par un compresseur thermocinétique (11A). 9. Appareil selon l'une des revendications 6 à 8 comprenant un compresseur thermocinétique (11B) en aval de la turbine de détente (3). 10. Appareil selon la revendication 9 comprenant un échangeur où s'échauffe de l'air par échange de chaleur avec les fumées d'un four à verre et un appareil de séparation d'air en aval du compresseur thermocinétique, l'appareil de séparation d'air étant éventuellement relié au four à verre pour y envoyer de l'oxygène.