INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Une partie ou la totalité de l’eau obtenue en sortie du condenseur 130 peut être réutilisée dans le système 100, pour former au moins une partie du flux d’eau 104 fourni à l’échangeur thermique 106. Dans l’exemple non limitatif représenté sur la FUGURE 1, la totalité de l’eau obtenue en sortie du condenseur 130 est introduit dans le désaérateur 124 pour être ajoutée au flux d’eau 104. Ainsi, le flux d’eau fourni à l’échangeur thermique 106 comprend le flux d’eau 104, et éventuellement : l’eau récupérée en sortie du condenseur 130, et/ou l’eau provenant de la portion 126 du deuxième flux de vapeur d’eau 116.
De manière optionnelle, le système 100 peut comprendre un moyen 132 de stockage d’au moins une partie de l’électricité 118 produite par l’unité de cogénération 110. Un tel moyen de stockage 132 peut par exemple comprendre une ou plusieurs batteries rechargeables.
Ainsi, l’électricité 118 générée en excès peut être stockée dans le moyen de stockage 132 en vue de son utilisation ultérieure, par exemple dans le système 100. Un tel stockage d’électricité permet de lisser les variations éventuelles : de la quantité d’électricité générée par l’unité de cogénération 110 ; et/ou de la quantité d’électricité consommée par le système 100, et en particulier par l’unité d’électrolyse 120, notamment pour s’adapter à une variation de la quantité d’hydrogène à produire.
Sur l’exemple représenté sur la , le moyen de stockage d’électricité 132 est positionné entre l’unité de cogénération 110 et l’unité d’électrolyse 120. Bien entendu, cet exemple n’est pas limitatif et le moyen de stockage d’électricité peut être positionné ailleurs dans le système 100.
De manière optionnelle, le système 100 peut comprendre un moyen 134 de stockage d’au moins une partie de la chaleur de l’effluent chaud 102.
En effet, lorsque la chaleur de l’effluent chaud 102 rejeté par l’installation industrielle est supérieure à celle nécessaire à celle utilisée dans le système 100, au moins une partie de la chaleur en excès peut être stockée dans le moyen de stockage de chaleur 134, en vue de son utilisation ultérieure, par exemple dans le système 100. Cette chaleur en excès stockée peut être utilisée par exemple pour alimenter le système 100 lorsque la chaleur de l’effluent chaud 102 diminue, ou lorsque la demande en production d’hydrogène augmente, et plus généralement pour équilibrer la production d’hydrogène.
Le moyen de stockage thermique 134 peut être de tout type, tel que par exemple un réservoir de fluide caloporteur réchauffé par un échangeur thermique. Un tel fluide caloporteur peut par exemple être de l’huile ou tout autre fluide.
Sur l’exemple représenté sur la , le moyen de stockage de chaleur 134 est positionné en amont de l’échangeur thermique 106. Bien entendu, cet exemple n’est pas limitatif et le moyen de stockage de chaleur 134 peut être positionné ailleurs dans le système, par exemple en amont, ou en aval, de l’unité de cogénération 120.
L’unité d’électrolyse 120 peut comprendre au moins un électrolyseur à oxyde solide, SOEL, en particulier un SOEL fonctionnant à haute température, par exemple à une température comprise entre 700°C et 850°C. De préférence, l’unité d’électrolyse 120 comprend plusieurs électrolyseurs à oxyde solide disposés en série.
L’unité d’électrolyse 120 prend en entrée : une partie ou la totalité du deuxième flux de vapeur d’eau 116, et une partie ou la totalité du courant électrique généré 118 ; pour produire de l’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau.
Dans l’exemple représenté sur la , l’unité d’électrolyse 120 prend en entrée une portion 136 du deuxième flux de vapeur d’eau 116, et une partie 138 du courant électrique. La vapeur d’eau est soumise à une réaction d’électrolyse avec le courant 138, cassant la molécule de vapeur d’eau pour produire, en sortie : un premier flux de sortie enrichi en, ou constitué de, d’hydrogène sous la forme de dihydrogène, H 2 , et un deuxième flux de sortie enrichi en, ou constitué de, d’oxygène sous la forme de dioxygène, O 2 ,
De manière optionnelle, tel que représenté sur la , l’unité d’électrolyse 120 peut prendre en entrée un flux d’air, en particulier pour équilibrer la pression au sein du ou des électrolyseurs. Dans ce cas, le deuxième flux de sortie peut en outre comprendre de l’azote et éventuellement d’autres composants se trouvant dans le flux d’air donné en entrée de l’unité d’électrolyse 120.
La est une représentation schématique d’un autre exemple de réalisation non limitatif d’un système selon la présente invention.
Le système 200 de la peut être utilisé pour produire de l’hydrogène en utilisant un effluent chaud 102 rejeté par un site industriel ou une installation industrielle, et un flux d’eau 104.
Le système 200 de la comprend tous les éléments du système 100 de la à l’exception de l’élément de stockage d’électricité 132 et de l’élément de stockage de chaleur 134.
Suivant une alternative non représentée, un système selon l’invention peut comprendre l’un des éléments de stockage 132 et 134.
Pour éviter la circulation du fluide intermédiaire Fi dans le groupe froid lorsque seul le groupe chaud fonctionne, et pour éviter la circulation du fluide intermédiaire Fi dans le groupe chaud 18 lorsque seul le groupe froid 13 fonctionne, un ensemble de vannes de distribution, de type vanne by-pass par exemple, peut être mis en place.
Ainsi, comme illustré sur la , le dispositif de génération 10c peut en outre comprendre : - une première vanne 27 de distribution comprenant une entrée connectée à la sortie du second échangeur thermique 17, et une sortie configurée pour diriger sélectivement le fluide intermédiaire Fi vers l’entrée du troisième échangeur thermique 21 dans la phase de chauffe, et vers l’entrée de l’unique réservoir 24 dans la phase de refroidissement ; et - une seconde vanne 28 de distribution comprenant une entrée connectée à la sortie de l’unique réservoir 24, et une sortie configurée pour diriger sélectivement le fluide intermédiaire Fi vers à l’entrée du second échangeur thermique 17 dans la phase de refroidissement, et vers l’entrée de la première vanne 27 dans la phase de chauffe.
En d’autres termes, dans ce mode de réalisation : - pendant toute la phase de refroidissement au cours de laquelle seul le groupe froid 13 fonctionne, le fluide intermédiaire Fi circule dans un circuit fermé formé par le second échangeur thermique 17 et le réservoir 24 ; et - pendant toute la phase de chauffe au cours de laquelle seul le groupe chaud 18 fonctionne, le fluide intermédiaire Fi circule dans un circuit fermé formé par le troisième échangeur thermique 21 et le réservoir 24.
Tout comme les modes de réalisation précédents, des moyens annexes de régulation thermique peuvent être disposés dans le dispositif de génération 10c, sous la forme par exemple d’un aérotherme 25 et d’une unité de chauffe 26. Sur la , l’aérotherme 25 est positionné en aval du réservoir 24, suivant le sens de la circulation du fluide intermédiaire Fi. Ainsi, lorsque la température du fluide intermédiaire Fi sortant du réservoir 24 n’est pas adaptée pour le fonctionnement du groupe froid 13, le fluide intermédiaire 24 passe d’abord au travers de l’aérotherme 25 via par exemple une vanne by-pass 29, avant d’être injecté dans le second échangeur thermique 21.
Une pompe de circulation 31 assure la circulation du fluide intermédiaire Fi.
Une variante du dispositif de génération 10c de la est illustré à la , dans laquelle un groupe chaud additionnel 60 mis en cascade avec le groupe chaud 18 du dispositif de génération 10c de la . Cette mise en cascade peut parfois être nécessaire, notamment lorsque l’on souhaite générer des températures hautes ou très hautes et garder un rendement COP optimum pour l’utilisation de ces besoins.
Le dispositif de génération 10d de la comprend ainsi, outre le dispositif de génération 10c de la dans lequel le groupe chaud 18 constitue donc le premier groupe chaud, un second groupe chaud 60 configuré pour générer, durant la phase de chauffe, un second fluide dit « chaud » Fc2 à une troisième gamme de températures prédéfinies supérieure à la seconde température. Ce second groupe chaud 60, fonctionnant suivant le principe d’une pompe à chaleur, comprend notamment : - une unité de compression 29 d’un troisième fluide frigorigène F3 ; - une unité de détente 30 dudit troisième fluide frigorigène F3 ; - un cinquième échangeur thermique 63 entre le troisième fluide frigorigène F3 et le premier fluide chaud Fc1 du quatrième échangeur thermique 22, et intégrant un évaporateur ; et - un sixième échangeur thermique 64 entre le troisième fluide frigorigène F3 et ledit second fluide chaud Fc2, et intégrant un condenseur.
Pour cette variante, à titre d’exemple, le groupe froid 13 peut être dimensionné pour présenter les caractéristiques suivantes : - un régime thermique en sortie : entre -6 et 6°C ; - régime thermique en retour : entre 0 et 12°C ; - température du fluide intermédiaire Fi en entrée du deuxième échangeur thermique 17 : entre 30 et 45°C ; - température du fluide intermédiaire Fi en sortie du deuxième échangeur thermique 17 : entre 35 et 50°C.
Le premier groupe chaud 18 peut être dimensionné pour présenter les caractéristiques suivantes : - un régime thermique en sortie : entre 70 et 80°C ; - régime thermique en retour : entre 60 et 70°C ; - température du fluide intermédiaire Fi en entrée du troisième échangeur thermique 21 : entre 35 et 50°C ; - température du fluide intermédiaire Fi en sortie du troisième échangeur thermique 21 : entre 30 et 45°C.
Le second groupe chaud 60 peut être dimensionné pour présenter les caractéristiques suivantes : - un régime thermique en sortie : entre 115 et 160°C ; - régime thermique en retour : entre 100 et 120°C.
Le réservoir 24 peut être dimensionné pour stocker des calories correspondant à la gamme de températures 30 à 50°C.
Dans tous les modes de réalisation présentés, différents capteurs de température et de débit 40-50 peuvent être répartis dans le dispositif de génération 10a-10d de manière à assurer un contrôle et une régulation des différentes températures du fluide circulant dans le dispositif de génération 10a-10d. En outre, en fonction des besoins en calories dans les différents groupes froid et chaud, tout ou partie des calories du ou des réservoirs peuvent être utilisées.
Par ailleurs, dans une variante, lorsque le dispositif de génération 10a-10d est mise en œuvre dans des process incluant un nettoyage de type nettoyage-en-place (NEP), il est possible de récupérer les calories portées par les eaux post-nettoyage avant leur évacuation à l’égout pour réchauffer légèrement le fluide froid généré par le groupe froid, via par exemple un système d’échange thermique. Par exemple, le dispositif de génération 10a-10d peut en outre comprendre un septième échangeur thermique entre le fluide froid en sortie du premier échangeur thermique du groupe froid et cette eau post-nettoyage présentant généralement une température comprise entre 40 et 85°C. Ce septième échangeur thermique est avantageusement configuré pour réchauffer le fluide froid généré en sortie du groupe froid à une température adaptée pour être injectée à l’entrée du premier échangeur thermique du groupe froid.
Ainsi, l’installation de l’invention permet une production de fluides utiles chaud et froid à des températures adaptées aux exigences des applications industrielles, et disponibles à des instants différents, tout en réduisant l'énergie consommé dans la production de ces fluides. De préférence, la source d’énergie permettant le fonctionnement l’installation de l’invention sera de préférence exclusivement électrique issus des réseaux de distribution ou d’un parc d’énergie renouvelable tel que panneau photovoltaïque ou éolien.
Ainsi, l’installation de l’invention permet de produire des fluides thermiques pour une unité process industrielle avec une consommation d’énergie électrique trois fois inférieure à la production des fluides thermiques froid et chaud, avec un rendement COP global de l’ordre 3. Le rattachement du système de l’invention à une unité de production industrielle permet de compenser le besoin en froid par des besoins en chaud.
US 351 413 B, J. T. WAINWRIGHT 26.10.1886 décrit, par exemple, une méthode d’injection d’air et/ou de carburant tel que gaz ou pétrole dans un bain de verre fondu de manière que lesdits gaz circulent et chauffent à travers le bain avant que leur combustion n’ait lieu sous ou à proximité de la surface du bain. Le bain est ainsi constamment remué et mélangé, permettant ainsi de demeurer chaud.
US 1 656 828 A, POWELL EDWARD R, 17.01.1928 décrit un procédé et un dispositif de fabrication de laine de roche dans lesquels un mélange de matières premières est introduit dans une cuve verticale munie d’une chambre de combustion inclinée et adjacente. La chambre de combustion comprend un brûleur disposé de manière que les gaz de combustion pénètrent et fondent le mélange de matières premières à la base inférieure de la cuve. A la base de la cuve, une ouverture permet l’écoulement du verre fondu au travers d’un jet d’air pour le soufflage de verre fondu sous la forme de fibres.
FR 876569 A, UNION DES VERRERIES MECANIQUES, 10.11.1942 décrit un four à combustion immergée comprenant une cuve verticale munie, dans sa partie inférieure, d’au moins un brûleur immergé avec une pression de fluide de combustion de plus de 0,2 atmosphères et une vitesse supérieure à 30 mètres par seconde.
WO 2009 091 558 A1, GAS TECHNOLOGY INST [US] 29.07.2009 décrit un four à combustion immergée comprenant une cuve avec double paroi à circulation de fluide. La sole du four est munie d’une pluralité de brûleurs immergés dont l’arrangement spatial relatif est optimisé pour améliorer l’homogénéité thermique du bain de verre et réduire le nombre d’infondus.
Outre la cuve adaptée à la fusion du mélange de matières premières vitrifiables, un four à combustion immergée peut comprendre une ou plusieurs autres cuves adjacentes et en communication avec la première cuve, dans lesquelles le verre fondu s’écoule depuis la première cuve pour y subir divers traitements tels que, notamment, un affinage.
DE 651 687 C, GLASHUETTE ACHERN A G, 18.10.1937 décrit un four comprenant une cuve de fusion verticale et rotative alimentée en matière premières par une ouverture supérieure à l’aide d’une trémie. La cuve comprend, au centre de sa base inférieure, orienté selon l’axe de révolution de la cuve, un brûleur immergé, et est munie, en périphérie de ladite base inférieure, d’ouvertures permettant l’écoulement du verre vers une cuve inférieure d’affinage.
GB 1 028 481 A, SELAS CORP OF AMERICA, 04.05.1966 décrit un four muni d’une pluralité de cuves de fusion comprenant chacune, au centre de leur base inférieure, plusieurs brûleurs immergés. Le four comprend en outre une cuve principale d’affinage dans laquelle s’écoule le verre fondu des cuves de fusion.
Dans la cadre de la fabrication de fibres minérales, le mélange de matières premières vitrifiables utilisé dans un four à combustion immergée comprend des matières minérales sources d’oxydes, d’hydroxydes et/ou de carbonates de métaux, de métalloïdes, d’alcalins et/ou d’alcalino-terreux dont les proportions relatives sont ajustées de manière à obtenir la composition chimique désirée du verre à l’issue de la fusion.
Les matières minérales sont généralement des matières minières telles que, par exemple, le sable de silice, la bauxite, la dolomie, les carbonates de calcium, les carbonates de magnésium et/ou le carbonate de sodium. Elles peuvent être également des co-produits minéraux d’autres industries manufacturières.
Néanmoins, dans un objectif de réduction des impacts écologiques des industries manufacturières, notamment de réduction de l’exploitation des ressources naturelles, de la consommation en énergie et des émissions de gaz à effet de serre, il est désormais de pratique courante de substituer tout ou partie des matières premières du mélange par des déchets minéraux dits recyclables.
Un premier exemple de déchets minéraux recyclables est le « calcin » dont deux types sont distingués : - le calcin dit « interne » qui peut comprendre des déchets verriers issus d’un même procédé de manufacture ou d’une même ligne de production de produits verriers et comprend généralement les rebus de découpe, les produits défectueux détectés et rejetés lors d’un contrôle qualité ou lors des ajustements de compositions de produit ; - le calcin dit « externe » qui peut comprendre des déchets verriers collectés auprès d’autres procédés ou lignes de manufacture de produits verriers, des consommateurs dans l’objectif de recycler les produits verriers après leur utilisation, par exemple les déchets de déconstruction, les bouteilles en verre, les vitrages usagés....
De manière générale, et davantage pour le calcin externe, le calcin est un mélange des débris de verre de couleurs différentes et de compositions différentes. La surface de ces débris peut également être couverte de couches organiques et/ou inorganiques, couches héritées des différents procédés de fonctionnalisation des surfaces pour certaines applications des produits verriers. Enfin, le calcin peut également comprendre un certain nombre de débris de corps étrangers tels que céramique, faïence, porcelaine, terre cuite, plastique, métaux, composants électroniques…
Un deuxième exemple de déchets minéraux recyclables sont les déchets de fibres minérales ensimées ou non, c’est-à-dire avec ou sans liant organique. Ces déchets peuvent être issus des industries manufacturières, des chantiers de bâtiment ou autres travaux et/ou de filières de recyclage.
Un troisième exemple de déchets minéraux recyclables sont les matières premières issues des filières de valorisation de la biomasse d'origine végétale, animale, bactérienne ou fongique. Cette matière est utilisable comme combustible, mais également comme moyen d’ajustement de la composition de verre et/ou de son état rédox.
Par leur origine, les déchets minéraux recyclables, notamment externes, présentent des taux variables d’humidité et/ou de matières organiques. Lorsqu’ils sont introduits dans le four, cette humidité et ces matières organiques modifient le bilan thermique et chimique du four et provoquent des variations brutales de la température du bain de verre. Les processus d’affinage et d’équilibre rédox du bain de verre sont également perturbés. Le régime stationnaire de chauffe et d’affinage du four est alors déstabilisé. Des baisses de rendement ainsi qu’une génération de produits verriers non conformes pour les applications visées, notamment pour la fabrication de fibres minérales, sont susceptibles d’avoir lieu.
Il est donc courant de procéder à des traitements préalables des déchets minéraux pour réduire, voire éliminer, l’humidité et les composés organiques qu’ils contiennent.
WO 0248612 A1, SAINT GOBAIN [FR] 20.06.2002 décrit, par exemple, un procédé de destruction et/ou d’inertage de déchets minéraux permettant notamment d’obtenir un calcin valorisable pour la fabrication ultérieure de laine minérale. Dans ce procédé, les déchets minéraux sont introduits dans une phase liquide et/ou mousseuse maintenue à une température d’au moins 800°C et préalablement formée dans une cuve munie d’un brûleur immergé à partir d’un mélange de matériaux en partie vitrifiables.
WO 2006 018 582 A1, SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 23.02.2006 décrit un procédé de traitement des déchets minéraux, en particulier des déchets de fibres minérales, dans lequel de l’oxygène pur ou de l’air enrichi en oxygène est injecté dans une masse de matières à recycler, elle-même soumise à une chauffe via des brûleurs immergés. Grâce à la combustion des composés organiques et à la fusion de la masse, il est possible d’obtenir un calcin valorisable pour la fabrication ultérieure de fibres de verre.
US 4877449 A, INST GAS TECHNOLOGY [US] 31.10.1989 décrit un four à combustion immergé comprenant une cuve verticale munie, dans sa partie supérieure, au-dessus du bain de verre, d’une grille refroidie sur laquelle sont déposées des charges solides à l’aide d’une trémie. Les gaz de combustion provenant du bain de verre traversent la grille et chauffent les charges solides provoquant leur fusion et l’écoulement, dans le bain de verre, du liquide ainsi formé.
Alternativement, il est possible d’introduire directement, c’est-à-dire sans traitement préalable, les déchets verriers dans le bain de verre d’un four, notamment un four à combustion immergée destiné à la fabrication de fibres minérales. Généralement, il est mis en œuvre un asservissement, tel qu’une boucle rétroactive de régulation, d’au moins un paramètre d’opération, de fonctionnement ou de commande du four, qui permet de compenser les perturbations auxquelles est soumis le four par rapport à son régime stationnaire. Une telle approche est rendue possible par la très faible inertie thermique intrinsèque aux fours à combustion immergée, en particulier ceux dotés d’une double paroi à circulation de fluide.
EP 2 433 911 A1, JOHNS MANVILLE [US] 28.03.2012 décrit un procédé et un dispositif de recyclage d’un matelas de laine de verre, dans lesquels ledit matelas est introduit dans le bain de verre d’un four à combustion immergée à une vitesse uniforme d’enfournement. Un dispositif d’asservissement PID ou un système de commande prédictive permet la régulation, en sortie, de plusieurs paramètres d’opération du four, en particulier la vitesse des convoyeurs du matelas, à partir de différents signaux d’entrée, tels que la température du bain de verre, la tirée et/ou la débit de carburant et/ou de comburant dans les brûleurs.
WO 2022 / 180 345 A1, SAINT GOBAIN ISOVER [FR] 01.09.2022 décrit un procédé de régulation d’un four à combustion immergée alimenté en un mélange humide de laines minérales et/ou de biomasse, dans lequel le débit d’enfournement du mélange ou la puissance des brûleurs immergés est régulée à l’aide d’un dispositif d’asservissement PID à partir d’une mesure du taux d’humidité dudit mélange.
est une représentation schématique d’un exemple de ligne de manufacture de fibres de verre ou de roche.
est une représentation schématique en section d’un four à combustion immergée pour la fusion d’un mélange de matière premières comprenant des déchets minéraux.
est un ordinogramme d’une méthode selon le premier aspect de l’invention.
est une représentation graphique de l’évolution de la température d’un four à combustion immergée en fonction du temps après une diminution brutale de sa puissance.
est un exemple de schéma fonctionnel d’un dispositif d’asservissement selon certains modes de réalisation.
est une représentation graphique d’un exemple d’évolution temporelle de la puissance, exprimée en variation relative à la puissance de base, liée aux variations temporelles de la teneur en humidité (cadre supérieur) et de la quantité de composés organiques ou combustibles carbonés (cadre inférieur).
est une représentation graphique de l’évolution temporelle de puissance (cadre inférieur) et de température (ligne continue, cadre supérieur) d’un four dont les valeurs des paramètres de la fonction de transfert de son dispositif d’asservissement sont préalablement ajustées conformément à l’invention.
est une représentation graphique de l’évolution temporelle de la température (cadre supérieur) et de la puissance (cadre central) d’un four en fonction des variations de la teneur en humidité et de la quantité de matières organiques du mélange de matières premières, et de la tirée du four.
Description détaillée de modes de réalisation En référence à la , une ligne 1000 manufacture de fibres de verre ou de roche par la méthode de centrifugation interne comprend généralement : - des silos 1001 pour stoker les matières premières 1001a, par exemple des composés minéraux et/ou du calcin ; - un four 1002 de fusion de verre ou de roche pour fondre les matières premières 1001a ; - un convoyeur 1003 pour transporter les matières premières 1001a depuis les silos 1001 jusqu’au four 1002 ; - un ou plusieurs outils de fibrage 1005a, 1005b, 1005c alimentés en verre ou en roche en fusion 1006 ; - un canal 1004 ouvert ou fermé d’alimentation pourvu d'ouvertures situées juste au-dessus de chaque outil de fibrage 1005a, 1005b, 1005c pour les alimenter en verre ou en roche en fusion 1006.