Brevet FR2946088A1 — publié le 20101203

La présente invention se rapporte à un système de production d'énergie, notamment d'énergie électrique et/ou calorifique, comprenant une turbine à gaz et un gazéifieur. La turbine à gaz comprend généralement au moins un compresseur à au moins un étage de compression, au moins une turbine de détente, un dispositif d'échange de chaleur entre le compresseur et la turbine permettant de chauffer les gaz comprimés par le compresseur pour les envoyer avec une température élevée à la turbine de détente. Comme cela est déjà connu par le document EP 1 178 195, ce type de système utilise un échangeur de chaleur parcouru, d'une part, par les fumées chaudes issues d'un brûleur utilisant un comburant et un combustible, et, d'autre part, par les gaz comprimés sortant du compresseur. Lors de cet échange, la chaleur contenue dans les fumées est transmise aux gaz comprimés du compresseur traversant cet échangeur. De ce fait, les gaz comprimés chauds arrivent à l'entrée de la turbine de détente avec une température et une pression suffisante pour la faire tourner. Sous l'impulsion de cette rotation, cette turbine entraîne un arbre auquel elle est liée et qui est également relié au compresseur. Un générateur de courant, généralement une génératrice, est couplé soit à la turbine, soit au compresseur pour produire un courant électrique. Il est également connu par le document WO 02/055855 d'utiliser pour le 25 brûleur un combustible solide à base de biomasse de manière à générer par combustion les gaz chauds prévus pour traverser l'échangeur. A titre d'exemple, la biomasse utilisée peut être une substance solide et/ou liquide qui peut être choisie parmi les produits à base de cellulose ou de 30 ligno-cellulose, comme le bois, la paille, les algues,... et/ou à base de produits agricoles et dérivés, comme les huiles végétales, les graisses animales, ... Les systèmes de l'art antérieur tels que mentionnés ci-dessus présentent des inconvénients non négligeables. En effet, le procédé le plus utilisé pour ce type de brûleur, dans une gamme de puissance de la turbine de 100 KWth à 1000 KWth (KWth : KiloWatt thermique), est le foyer à grille mobile utilisant la biomasse comme combustible. Ce procédé connu présente l'inconvénient d'imposer la présence d'un dépoussiéreur volumineux et coûteux à la sortie du foyer pour traiter les émissions de particules résultant de cette combustion. De plus, cette combustion génère des polluants, comme les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone, les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les dioxines, qui sont liés à la présence de zones froides dans la chambre du foyer. En outre, ce foyer entraîne des limitations sur la qualité du combustible à utiliser et plus particulièrement nécessite l'emploi d'un combustible à base de biomasse avec une humidité inférieure à 30 % pour disposer de fumées suffisamment chaudes, c'est-à-dire à environ 1000°C et avec une température de fusion des cendres supérieure à environ 1200°C pour éviter le blocage de ses grilles mobiles. En plus, il est indispensable d'injecter sous la grille de l'air comburant avec une température ambiante pour éviter une surchauffe des pièces métalliques du foyer. Ceci ne peut que limiter les possibilités de recyclage d'air chaud issu de la turbine à gaz. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un système de production d'énergie électrique qui permette d'obtenir un haut rendement énergétique en utilisant un combustible de type biomasse avec une minimisation des émissions de polluants et/ou de particules. A cet effet, la présente invention concerne un système de production d'énergie, notamment électrique, comportant une turbine à gaz avec au moins un compresseur à au moins un étage de compression, au moins une turbine de détente, un échangeur de chaleur entre ledit compresseur et ladite turbine de détente, et un moyen de combustion alimenté en un comburant gazeux et en un gaz combustible, caractérisé en ce que le système comprend un moyen de gazéification pour transformer une substance en un gaz combustible permettant d'alimenter le moyen de combustion en combustible. Le moyen de gazéification peut comprendre au moins une entrée de gaz détendu provenant de la turbine de détente. Avantageusement, le moyen de gazéification peut comprendre un réacteur à lit fixe. L'échangeur de chaleur peut être un échangeur régénératif et préférentiellement un échangeur régénératif rotatif de type séquentiel. L'échangeur peut comprendre une entrée d'un mélange de gaz chauds issus du moyen de combustion et de gaz détendu provenant de la turbine de détente. 20 Le moyen de combustion peut comprendre au moins une entrée d'un mélange de gaz combustible et de gaz détendu provenant de la turbine de détente. Le moyen de combustion peut comprendre au moins une entrée de gaz 25 combustible et une entrée de gaz détendu provenant de la turbine de détente. La substance peut comprendre de la biomasse sous forme solide et/ou liquide. 30 Le système peut comprendre un générateur de fluide chaud traversé par les gaz chauds sortant de l'échangeur.15 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux décrits à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en se référant à la figure unique qui est un schéma illustrant le système de production d'énergie électrique selon l'invention. Sur cette figure, le système de production d'énergie comprend une turbine à gaz 10, un moyen de combustion 12, désigné dans la suite de la description en tant que brûleur, d'un mélange entre un comburant et un combustible provenant d'un moyen de gazéification 14 de substances solides et/ou liquides, ici à titre d'exemple de la biomasse. La turbine à gaz comprend un compresseur de gaz 16 avec au moins un étage de compression, un échangeur de chaleur 18, une turbine de détente 20 à au moins un étage reliée par un arbre 22 au compresseur. Cette turbine comprend également un moyen de production d'énergie électrique 24 commandé par le compresseur et qui comprend une génératrice électrique 26 reliée par un arbre 28 à ce compresseur. Bien entendu, cette génératrice peut être alternativement reliée à la turbine de détente par un arbre. L'échangeur de chaleur 18 peut être un échangeur conventionnel de type tubes-calandre ou à plaques alternées à flux croisés par exemple. Cet échangeur peut également être un échangeur régénératif et plus particulièrement un échangeur rotatif régénératif basé sur le principe des échangeurs de type Lugjstrôm, comme cela a été décrit dans la demande de brevet français N° 2 916 240 du demandeur, et qui comporte un disque avec une multiplicité de secteurs radiaux parcourus alternativement par des gaz chauds provenant du brûleur 12 et par les gaz comprimés issus du compresseur 16. Cette turbine à gaz comprend également mais non obligatoirement un générateur de fluide chaud 30. Généralement ce générateur est constitué d'un échangeur 32 qui permet de chauffer un fluide, comme par exemple de l'eau pour la transformer en eau chaude ou en vapeur. Dans cette configuration, la turbine à gaz est appelée turbine à co- génération puisque elle produit à la fois de l'énergie électrique et de l'énergie calorifique. Le brûleur 12 est du type classique avec un volume à l'intérieur duquel se produit la combustion d'un mélange entre un combustible gazeux et un 10 comburant gazeux, comme de l'air. Le moyen de gazéification 14 (ou gazéifieur) permet d'obtenir un gaz combustible à partir de la biomasse par une transformation thermochimique de cette biomasse en présence d'un composé gazeux (air, oxygène, dioxyde de 15 carbone, vapeur d'eau...) en atmosphère réductrice. Le résultat est la transformation de la matière, hormis les cendres, en un gaz combustible. Ce gaz combustible, appelé biogaz ou gaz de synthèse, contient essentiellement de l'oxyde de carbone et de l'hydrogène. Son pouvoir calorifique varie classiquement de 3,5 à 6 MJ/Nm3 selon sa concentration en 20 divers gaz inertes tels que l'azote et dioxyde de carbone, dont la concentration dépend essentiellement des agents de gazéification utilisés et du procédé mis en oeuvre. Les technologies existantes de gazéification de la biomasse qui peuvent 25 être appliquées à la présente invention sont de deux types : les réacteurs à lits fixes et réacteurs à lits fluidisés. Dans les procédés avec réacteurs à lits fixes, la biomasse est introduite dans ce réacteur par sa partie haute et réagit au contact de l'agent oxydant. Le résidu solide résultant de cette réaction, appelé cendres de gazéification, est 30 récupéré en partie basse du réacteur. L'agent oxydant, qui est dans ce cas généralement de l'air, traverse le réacteur. Le gaz combustible ainsi formé quitte le réacteur en entraînant avec lui une quantité non négligeable de produits de pyrolyse et de particules. Le principal avantage des procédés de gazéification à lit fixe réside dans leur simplicité de construction et sont de ce fait généralement utilisés pour les petites capacités. Pour les procédés à lits fluidisés, la biomasse, qui aura préalablement été réduite en taille (de un millimètre à quelques dizaines de millimètres au maximum) et séchée, est introduite dans un lit de sable, ce qui améliore les transferts de chaleur et de matière. Les réacteurs utilisés pour ce type de procédés peuvent être classés en trois catégories en fonction de la vitesse de fluidisation : les lits fluidisés denses, les lits fluidisés circulants et les lits entraînés. Préférentiellement, il sera choisi un réacteur à lit fixe pour les unités de petite puissance - inférieur à 500 KWe (KWe : KiloWatt électrique) - et à lit fluidisé circulant pour les unités de grosses puissances. Le compresseur 16 comprend une entrée 34 de gaz frais contenant de l'oxygène, ici de l'air extérieur généralement à température ambiante, et une sortie d'air comprimé 36 aboutissant à une entrée d'air comprimé 38 de l'échangeur 18 par une ligne 40. La sortie de gaz comprimé chaud 42 de cet échangeur est reliée par une ligne 44 à l'entrée 46 de la turbine de détente 20. La sortie de gaz détendu chaud 48 de cette turbine est connectée à une ligne d'air chaud détendu 50 dont le rôle sera explicité dans la suite de la description. L'échangeur 18 comprend également une entrée 52 de fumées chaudes et une sortie de fumées 54 reliée à l'échangeur 32 du générateur 30 par une ligne 56. Ces fumées sortent de l'échangeur du générateur par une évacuation 58 pour être dirigées vers tous moyens d'évacuation et de traitement, comme une cheminée (non représentée). Le générateur de fluide chaud est ainsi utilisé notamment pour chauffer de l'eau entrant dans l'échangeur 32 par une entrée 60 et ressortant sous forme d'eau chaude ou de vapeur d'eau par une sortie 62 de cet échangeur. Le gazéifieur 14, qui utilise ici le procédé avec réacteur à lit fixe, comprend une voie d'introduction 64 de la substance sous forme de biomasse, préférentiellement en partie haute du réacteur, et une admission 66 de gaz chaud détendu provenant de la ligne 50. Ce gazéifieur comprend, avantageusement dans sa partie basse, une évacuation 68 de résidus solides, appelés cendres de gazéification, résultant du procédé de gazéification. Le gaz combustible résultant de cette gazéification est évacué par une ligne 70 vers une admission 72 du brûleur 12. Comme cela est largement connu, ce gaz combustible contient une part non négligeable de composés hydrocarbonés à poids moléculaire élevé, plus communément appelés goudrons, qui génèrent des problèmes d'encrassement et de colmatage de tout type et plus particulièrement sur des canalisations. De plus et cela quelque soit la technologie de gazéification employée, l'étape de purification de ce gaz combustible est particulièrement importante pour des utilisations avec des moteurs à combustion interne qui ne tolèrent pas la présence de goudron dans ce gaz combustible. Cette purification est essentiellement réalisée par une opération de lavage, soit avec de l'eau, qu'il faut ensuite également purifier avant de la rejeter, soit avec un produit organique qui est généralement recyclé. Grâce à l'invention, la combustion du gaz combustible chaud, dès sa sortie du gazéifieur, permet d'éviter les problèmes de condensation des goudrons et par cela évite les étapes de purification de ce gaz combustible. En effet, les goudrons sont brûlés avec ce gaz et produisent de ce fait de l'énergie. Le rendement global du gazéifieur est donc amélioré compte tenu du fait que la dépense énergétique liée à la purification du gaz combustible est supprimée et que les goudrons participent au rendement thermique. Avantageusement, ce gaz combustible peut être mélangé avec du gaz détendu chaud provenant d'une ligne 74 en dérivation à partir d'un piquage 76 de la ligne 50 avant d'être introduit dans le brûleur 12 par l'admission 72. Alternativement, la ligne de gaz combustible 70 peut aboutir directement à l'admission 72 du brûleur et, comme indiqué en traits pointillés sur la figure, la ligne en dérivation 74 de gaz détendu chaud peut aboutir à une autre admission 78 de ce brûleur de manière à y réaliser le mélange de gaz détendu chaud et de gaz combustible nécessaire à la réalisation de la combustion. Les fumées chaudes sortant de ce brûleur sont dirigées vers l'entrée 52 de l'échangeur 18 par une ligne 80 pour le traverser et en ressortir par la sortie 54. De manière avantageuse, du gaz détendu chaud provenant d'une autre ligne 82 en dérivation de la ligne 50 peut aboutir sur la ligne 80. Comme illustré sur la figure, cette autre ligne en dérivation est issue d'un point de jonction 84 placé sur la ligne en dérivation 74 mais peut être issue d'un autre piquage sur la ligne 50. De même, du gaz détendu chaud provenant d'une ligne 84 en dérivation de la ligne 50 peut aboutir sur la ligne 56 reliant la sortie 54 de l'échangeur 18 au générateur 30. Cette autre ligne en dérivation est issue d'un point de jonction 86 placé sur la ligne en dérivation 82 mais peut être issue d'un autre piquage sur la ligne 50. Bien entendu, la ligne 50 et les lignes en dérivation 74, 82 et 84 peuvent porter des moyens de régulation de la circulation (non représentés) du gaz détendu chaud qui y circule. Ces moyens peuvent être des moyens de vannage, comme des vannes multi positions entre une position de pleine fermeture de la ligne concernée et une position de pleine ouverture de cette ligne. Par cela, il est possible de régler la quantité de gaz détendu chaud à introduire dans le gazéifieur 14 pour obtenir la qualité souhaitée de gaz combustible en sortie de gazéifieur, et/ou à mélanger avec le gaz combustible pour obtenir la combustion souhaitée dans le brûleur 12, et/ou à combiner avec les fumées chaudes sortant du brûleur pour régler la température du mélange qui traverse l'échangeur 18 et/ou à incorporer avec les fumées sortant de l'échangeur 18 pour régler la température du mélange qui parcourt l'échangeur 32 du générateur 30. Lors du fonctionnement du système comme illustré sur la figure unique, de l'air frais extérieur, de préférence un gaz frais contenant de l'oxygène à température et pression ambiantes, est admis à l'entrée 34 du compresseur 16 pour y être comprimé. Ce gaz air comprimé est ensuite envoyé par la ligne 40 à l'entrée 38 de l'échangeur 18 pour y être chauffé par échange thermique avec les fumées chaudes qui le traversent entre l'entrée 52 et la sortie 54. Cet air comprimé ressort de l'échangeur sous une haute température (de l'ordre de 700 à 900° C) pour être amené par la ligne 44 à l'entrée 46 de la turbine de détente 20. Sous l'effet de la pression et de l'énergie qu'il véhicule, ce gaz comprimé sous haute température génère une rotation de cette turbine. La rotation de cette turbine entraîne à son tour en rotation le compresseur 16 par l'arbre 22 et la génératrice 26 par l'arbre 28. Le gaz détendu chaud sortant de la turbine de détente 20, qui est sensiblement à la pression atmosphérique, est envoyé par la ligne 50 vers le gazéifieur 14 et/ou vers la ligne 74 (ou l'admission 78) et/ou la ligne 82 et/ou la ligne 84. La biomasse qui est introduite dans le gazéifieur par la voie 64 et le gaz détendu chaud qui est envoyé par la ligne 50 à l'admission 66 du gazéifieur permettent de réaliser un gaz combustible, comme cela a été décrit ci-dessus. Ce gaz combustible est envoyé vers l'admission 72 du brûleur 12, soit en étant mélangé avec du gaz détendu chaud provenant de la ligne en dérivation 74, soit directement dans le brûleur où il sera mélangé avec le gaz détendu chaud provenant de cette ligne par l'admission 78. La combustion du mélange entre le gaz combustible et le gaz détendu chaud permet de produire des fumées à haute température (de l'ordre de 800 à 1000°C) qui sont dirigées par la ligne 80 vers l'entrée de l'échangeur 18. Lors de la traversée de cet échangeur, les fumées cèdent une très grande partie de la chaleur qu'elles contiennent au gaz comprimé qui circule dans cet échangeur entre l'entrée 38 et la sortie 42. Ces fumées sortent de l'échangeur 18 et sont dirigées par la ligne 56 à l'entrée de l'échangeur 32 du générateur de fluide chaud 30 qu'elles traversent pour en ressortir par la ligne 58. L'eau qui est admis par l'entrée 60 récupère les calories véhiculées par les fumées en se réchauffant ou en se vaporisant pour ressortir de l'échangeur par la sortie 62. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents sans sortir du cadre de l'invention tel que défini ci-dessus.10 REVENDICATIONS1) Système de production d'énergie, notamment électrique, comportant une turbine à gaz (10) avec au moins un compresseur (16) à au moins un étage de compression, au moins une turbine de détente (20), un échangeur de chaleur (18) entre ledit compresseur et ladite turbine de détente, et un moyen de combustion (12) alimenté en un comburant gazeux et en un gaz combustible, caractérisé en ce que le système comprend un moyen de gazéification (14) pour transformer une substance en un gaz combustible permettant d'alimenter le moyen de combustion (12) en combustible. 2) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de gazéification (14) comprend au moins une entrée de gaz détendu (66) provenant de la turbine de détente (20). 3) Système de production d'énergie électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de gazéification (14) comprend un réacteur à lit fixe. 20 4) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (18) est un échangeur régénératif. 5) Système de production d'énergie électrique selon l'une des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur (18) est un échangeur régénératif rotatif de type séquentiel. 6) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé que l'échangeur comprend une entrée 30 (52) d'un mélange de gaz chauds issus du moyen de combustion (12) et de gaz détendu provenant de la turbine de détente (20).15 7) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de combustion (12) comprend au moins une entrée (72) d'un mélange de gaz combustible et de gaz détendu provenant de la turbine de détente (20). 8) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen de combustion (12) comprend au moins une entrée de gaz combustible et une entrée de gaz détendu (78) provenant de la turbine de détente (20). 9) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la substance comprend de la biomasse sous forme solide et/ou liquide. 15 10) Système de production d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur de fluide chaud (30) traversé par les gaz chauds sortant de l'échangeur (18). 10