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La dissociation Moléculaire du CO2 par Plasma appliquée à la production d'énergie, de carburant et au traitement des déchets urbains A. Introduction B.I. La Technologie
II. Description de principe d'une installation
1. Réception des déchets et classification
2. Préparation des déchets en vue de leur introduction dans le réacteur a) Criblage b) Tambour magnétique c) Broyage d) Séchage e) Densification
3. Le réacteur a) Description b) Démarrage du réacteur c) Fonctionnement continu du traitement des déchets 1. Les déchets ménagers objet du traitement
2. Densification
3. Gazéification
4.
Exemples - Production d'électricité par Turbine - Vapeur - Combustion du gaz de synthèse - Production d'électricité par Turbine - Gaz - Vapeur - Extraction de H2 du gaz de synthèse - Electrolyse de l'eau - Reforming plasmatique du méthanol
4. Revendications
5. Dessins (5)
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A. Introduction Ce brevet a pour but de développer une technique nouvelle de production d'électricité, d'hydrogène et de méthanol à partir d'un gaz ou mélange de gaz, C02, C02 + CH4, CH4 + H20, ou tout autre gaz ou mélange qui par dissociation moléculaire peut être transformé en CO et/ou H2, utilisé au titre de matière première.
Elle a été étudiée en vue de son application au traitement des déchets urbains et combustibles médiocres.
B. I. La technologie La technologie du plasma permet l'obtention de températures extrêmes jusqu'à 20- 25000 C qu'aucune autre technologie ne peut produire. Lorsqu'un gaz est chauffé à ces températures élevées, ses propriétés changent.
Au-dessus de 2000 C, les molécules de gaz commencent leur dissociation et le gaz évolue vers un état atomique.
A 3000 C, les molécules sont complètement dissociées et les atomes perdent progressivement leur (s) électron (s). Le gaz est ionisé. L'énergie transportée par ce gaz ionisé peut être utilisée pour plusieurs types d'applications telles que : chauffage, gazéification, réactions chimiques diverses qui peuvent s'effectuer dans et autour du plasma.
Les applications de la chaleur du plasma, déjà en application, utilisent de l'air comme gaz plasmagène pour obtenir la gazéification des déchets. Cette technique, introduisant dans le réacteur de l'oxygène contenu dans l'air, provoque la combustion d'une partie du CO et du H2 contenus dans le gaz de synthèse résultant de la gazéification des déchets. Cette technique réduit d'autant les performances du procédé.
La nouvelle technique proposée veut faire appel à toutes les possibilités du plasma tout en protégeant l'environnement par l'utilisation de gaz à effet de serre.
Appliquées au traitement de combustibles médiocres : lignite, tourbe, schlamms, déchets urbains ou biomasse, ces hautes températures permettent leur dissociation moléculaire en même temps que celle du gaz plasmagène. Cette dissociation moléculaire donne accès à des transformations chimiques qui permettent la gazéification instantanée de tous les déchets et la formation d'un gaz de synthèse
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hautement énergétique. Sans recourir à l'oxygène, toutes formes de fumées, de cendres ou autres produits sont éliminés.
Appliquée au traitement de déchets, aussi bien organiques qu'inorganiques, voire de gaz actuellement rejetés dans l'atmosphère, la technologie décrite se déroule selon six phases. a) A partir d'un gaz, ou mélange de gaz, formation d'un autre gaz à haute énergie calorifique et haut pouvoir réducteur. b) Dissociation des composés organiques en gaz de synthèse. c) Injection dans le circuit du traitement des produits liquides, solides ou gazeux, chauffés ou non, destinés à augmenter les quantités de CO et/ou H2 contenus dans le gaz de synthèse ainsi produit. d) Contrôle des températures de réactions tant à la gazéification, à la production d'électricité qu'à la transformation des gaz d'échappement de l'installation Turbine - Gaz - Vapeur en méthanol par l'injection de produits liquides, solides ou gazeux, chauffés ou non, dans le circuit considéré.
e) Extraction éventuelle d'une part importante du H2 contenu dans le gaz de synthèse. f) Dissociation des composés inorganiques (métaux - verres - toxiques) par leur fusion dans un plasma à + de 3000 C. Certains produits dont le point de fusion de 2800 C, se retrouvent alors sous forme de lave, vitrifiée par refroidissement brutal.
II. Description de principe d'une installation.
A. Organisation industrielle.
L'organisation d'une unité industrielle s'articule autour de quatre zones : 1. Réception des déchets et classification éventuelle.
2. Préparation des déchets en vue de leur introduction dans le réacteur.
3. Gazéification des déchets et épuration éventuelle des gaz.
4. Production d'énergie.
1) Réception des déchets et classification.
Ceux-ci arrivent par camion, récoltés en sacs plastiques ou en vrac. Selon leur nature, ils seront orientés vers les fosses de réception ou vers une zone de stockage.
Prélèvement d'un échantillon.
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2) Préparation des déchets en vue de leur introduction dans le réacteur. a. Criblage.
Le criblage consiste en une opération de déchiquetage des sacs poubelle par le procédé bien connu mis en oeuvre par la Région Wallonne dans la méthanisation des déchets. Les sacs de déchets sont introduits dans des cylindres tournants pourvus de dents -couteaux chargés de déchirer les sacs afin de libérer les déchets. b. Tambour magnétique.
A la sortie du déchiquetage, les déchets sont étalés sur une courroie transporteuse passant sous un séparateur magnétique. Cette opération a pour but de retirer les parties métalliques qui pourraient perturber les opérations suivantes, tels extincteurs de voiture, bombes de laque, ... c. Broyage des déchets.
Cette opération s'effectue dans un broyeur type broyeur à marteaux ou autre et a pour but principal de réduire les déchets en grains afin d'assurer leur densification. d. Séchage.
Le gaz issu de la gazéification présentant une température élevée, de l'ordre de 1500 C, est porteur d'une chaleur sensible importante. L'utilisation ultérieure de ce gaz n'est possible qu'après refroidissement de celui-ci à des températures de l'ordre de 50 C. Le gaz de synthèse à 1500 C est introduit dans un échangeur thermique type chaudière à tuyaux d'eau produisant de la vapeur. Cette vapeur détendue dans une turbine à vapeur, produit de l'électricité avec le rendement bien connu, 36%. Reste 64% de la chaleur sensible du gaz. Récupérée à la sortie de la turbine vapeur, elle permettra le séchage d'une certaine quantité de déchets afin de ramener son taux d'humidité à 10%. e. Densification.
Les déchets contenant 10% d'humidité sont introduits dans une presse à vis qui en assure la densification. Pendant la durée des traitements précédents, l'analyse de l'échantillon prélevé à l'arrivée des déchets permet de prévoir, avec une bonne précision, la composition du gaz de synthèse. En fonction de celle-ci, une certaine quantité de coke sera mélangée aux déchets afin d'obtenir un maximum de CO et un minimum de H20 dans le gaz de synthèse.
La presse à vis assurera, en plus de la densification des déchets, l'extraction de l'air qu'ils contiennent, afin de pouvoir réaliser une gazéification sans oxygène ni azote.
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3) Le réacteur. a) Description (fig. 1) Alimenté en sa partie supérieure par les déchets densifiés dans la presse à vis, il est équipé dans sa partie inférieure d'un certain nombre de torches plasma en fonction des quantités traitées chaque heure. Les torches plasma peuvent être remplacées par des électrodes en graphite.
La cuve inférieure reposant sur la sole est occupé par un laitier résultant des matières inorganiques contenues dans les déchets et non gazéificables. A la mise en route du gazéifieur, ce laitier est remplacé par une certaine quantité de scories solidifiées provenant du laitier de fours électriques de fonderie qui sera introduit dans le réacteur via la presse à vis.
On préfèrera un laitier type acide qui coule à 1500 C à un laitier basique qui pour la même fluidité exige une température de 1700 C.
En contrôlant l'énergie électrique appliquée à (aux) torche (s) alimentée (s) enC02 comme gaz plasmagène, nous obtenons :
EMI5.1
Les torches plasma seront du type à électrodes ou induction prévoyant un gaz dit de protection C02 comme indiqué fig. 2. Ce gaz de protection créera une légère dépression à la sortie de l'arc plasma favorable à sa stabilisation et projettera le C (sol) sous forme de suie sur le tas de scories solidifiées tout en assurant une atmosphère riche en C02 qui limitera la montée en température lors du démarrage.
Du coke sera aussi introduit par la presse à vis à raison de 12gr par môle de C02 utilisé comme gaz plasmagène, ce qui portera la teneur en C (sol) présent sur les scories à 24gr par môle de C02 plasmagène. Puisqu'un corps solide ou liquide ne brûle pas, seules les vapeurs qui le surmontent sont susceptibles de s'enflammer, un brûleur à gaz ou au méthanol (B sur fig. 4) devra, à la mise en route, apporter les calories nécessaires à la gazéification des 24gr C (sol) provoquant :
EMI5.2
C (sol) + calories - C (gaz) D'où 2 C (gaz) + 02 (gaz) -i 2 CO (gaz) + 553000 Cal. et de là l'auto-entretien de la réaction.
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Compte tenu de l'énergie fournie : à la torche plasma sous forme électrique 393,7 kj = 94000 Cal. par la réaction de combustion du C (sol) et en fonction : * des pertes par les parois, * de la chaleur sensible recherchée, nous pourrons déterminer : * le nombre de môle C02 plasmagène, * le coke à introduire par la presse à vis, * la quantité de C02 et /ou H20 à injecter dans le réacteur afin de limiter la température de la chaleur sensible créée à 1773 K.
Les calories nécessaires : * à la gazéification de C (sol) * la fusion des scories de laitier sont fournies par les brûleurs au gaz ou méthanol.
Deux gargouilles, chauffées par induction, assurent le niveau du laitier en fusion dans le réacteur.
La gargouille supérieure assure l'écoulement de l'excès de scories de faible densité qui flotte à la surface du laitier. Ces scories légères sont dirigées vers un bassin d'eau où elles sont refroidies brutalement en s'y vitrifiant.
La gargouille inférieure assure l'écoulement de ce genre de fonte et des scories plus lourdes aux moments opportuns, notamment vidange totale pour entretien.
Les gaz chauds ainsi produits traverseront un échangeur thermique (fig.l). Ils y cèderont leurs calories produisant ainsi une vapeur qui sera détendue dans une turbine vapeur entraînant un alternateur qui produira de l'électricité permettant une auto- alimentation des torches plasma.
En co-génération, la vapeur récoltée à la sortie de la turbine alimentera le séchage de déchets afin de ramener la teneur en H20 de 40 à 10%.
Dans l'exemple donné ci-dessous, les 30 tonnes brutes d'ordures ' contiennent 18 T MS + 12 T H20 seront réduites à 20 T contenant 18 T MS + 2 T H20.
A la sortie de l'échangeur thermique, les gaz seront traités, lavés et lors du démarrage seront enrichis en CH4 en vue de la mise en route de l'unité Turbine - Gaz - Vapeur qui elle aussi produira de l'électricité.
Ce sont les gaz d'échauffement de la chambre de combustion de la TGV qui seront traités pour obtenir le méthanol.
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1. Les déchets ménagers : objet du traitement.
Selon les documents communiqués par la Direction Générale des Ressources Naturelles et de l'Environnement de la Région Wallonne, la poubelle moyenne serait composée de :
EMI7.1
<tb> Verres <SEP> 4,43 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Papiers <SEP> - <SEP> cartons <SEP> 14,35 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cartons <SEP> boissons <SEP> - <SEP> plastiques <SEP> 9,08 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Métaux <SEP> 3,07 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Textiles <SEP> 11,56 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Résidus <SEP> non <SEP> classés <SEP> 4,47 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Matières <SEP> organiques <SEP> - <SEP> déchets <SEP> verts <SEP> 39,53 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Déchets <SEP> spéciaux <SEP> 0,92 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fines <SEP> 12,
60 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Humidité <SEP> 40 <SEP> % <SEP>
<tb>
2. Densification.
Les déchets contenant 10% d'humidité sont introduits dans une presse à vis qui en assure la densification. Pendant la durée des traitements précédents, l'analyse de l'échantillon prélevé à l'arrivée des déchets permet de prévoir, avec une bonne précision, la composition du gaz de synthèse. En fonction de celle-ci, une certaine quantité de coke sera mélangée aux déchets afin d'obtenir un maximum de CO et un minimum de H20 dans le gaz de synthèse.
La presse à vis assurera, en plus de la densification des déchets, l'extraction de l'air qu'ils contiennent, afin de pouvoir réaliser une gazéification sans oxygène ni azote.
La presse à vis est équipée d'un manteau chauffant permettant d'adapter la température de chauffage aux caractéristiques (nature, humidité, taille) des déchets.
Une soupape anti-retour permettra l'introduction des déchets dans le réacteur sans perte de pression.
3) Gazéification des déchets.
Le réacteur Les déchets introduits par la presse à vis à la partie supérieure du réacteur, tombent dans le laitier en fusion à 1773 K où ils sont gazéifiés. (fig. 3) Dans un cas normal, il s'agirait d'une gazéification en gaz inerte mais l'instabilité dans la composition des déchets peut dans certains cas nécessiter l'introduction de gaz
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dans la poche supérieure. Il s'agira en l'occurrence d'un gaz ou d'un mélange de gaz constitué par CO, CH4, C02, H2, H20, CH30H... soit des gaz permettant d'augmenter la teneur en CO et H2 du gaz final. Dans ce cas le gaz plasmagène injecté via les torches plasma peut ne pas être de même nature. Ce gaz ou mélange de gaz pouvant être chauffé ou non.
Un balayage du plasma peut être obtenu par l'alimentation de trois torches en courant alternatif triphasé créant ainsi un champ tournant à la même fréquence que le courant d'alimentation.
4) Exemple Traitement de 20T d'ordures à l'heure.
Compte tenu des expériences précédentes où les déchets étaient chauffés par un plasma alimenté par 10118 kg AIR (2.254 kg 02 + 7.865 kg N2) préchauffé à 533 C comme gaz plasmagène et par l'injection de 2.806 kg 02 par des tuyères appropriées, le gaz de synthèse avait la composition suivante :
CO = 16.275 kg C02= 1.078 kg
N2 = 8.764 kg
H2 = 711 kg H Cl = 308 kg
H2S = 32 kg
H20 = 5.544 kg Cette composition résultait aussi de l'introduction de 1076 kg de coke dans le réacteur.
Tandis que le laitier répondait à l'analyse :
MgO= 32,2 kg
Ti02 = 19,5 kg
Cr203 = 78 kg A1203 = 170,5 kg
Si02 = 242 kg
FexOy = 91 kg
CaO= 295,6 kg
Na20 = 43 kg
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Cette composition du laitier résultait de l'introduction de 98 kg CaO. Si ce traitement avait été effectué de façon pyrolytique, sans addition d'02 ni de N2, la composition du gaz aurait été :
CO = 17.878 kg
N2= 899 kg H2 = 1.327 kg
HC1= 308 kg
H2S = 32 kg Pour autant que l'ajout de coke soit passé de 1076 kg à 1469 kg.
A 1773 K, la chaleur sensible de ce gaz s'élèverait à 19.953.397 KCal et la chaleur sensible de ce laitier s'élèverait à 791.881 KCAl.
Si nous voulons produire, grâce à la chaleur sensible du gaz de synthèse, par l'intermédiaire d'une turbine vapeur (n= 0,36) 10 MW électriques, nous devrons couvrir :
EMI9.1
<tb> 10 <SEP> MW <SEP> électriques <SEP> 24. <SEP> 000.000 <SEP> KCal
<tb>
<tb> laitier <SEP> 800. <SEP> 000 <SEP> KCal
<tb>
<tb> Epuration <SEP> des <SEP> gaz <SEP> 500 <SEP> K
<tb>
<tb> Pertes <SEP> diverses <SEP> estimées <SEP> à <SEP> 10% <SEP> du <SEP> total.
<tb>
Epuration des gaz L'épuration des gaz se fait par le procédé NEUTREC mis au point et breveté par SOLVAY qui permet de préserver la qualité de l'air. A des températures de l'ordre de 500 K, ce procédé permet l'épuration maximale des gaz ainsi que le recyclage des produits résultant de l'épuration, sans aucun transfert de pollution vers l'eau ou le sol.
Le procédé est basé sur l'injection à sec de bicarbonate de sodium finement broyé dans les gaz à épurer.
Ce bicarbonate de sodium neutralise les acides avec une très grande efficacité.
Moyennant l'injection combinée de charbon actif ou de coke de lignite, les gaz sont également épurés en métaux lourds et en dioxine/ furanes éventuels. Les produits de la neutralisation des acides sont des sels sodiques (Na Cl, Na2S, Na2C03) qui sont recyclés chez Solvay à 500 K, le gaz composé :
CO = 17.878 kg
N2 = 899 kg H2 = 1.327 kg
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HCl= 308 kg
H2S = 32 kg C02 = x kg aura une chaleur sensible de (5.099.487 + 124,182 x) KCal à 1.773 K. Ce même gaz aura une chaleur sensible de (21.276.426 + 610 x) KCal.
Nous voulons 21.276.426 + 610 x = 24. 000.000 + 5. 099.487 + 124,182 x x = 16.104 kg C02 d'où à 1.773 K une chaleur sensible de 31.099.866 KCal à 500 K une chaleur sensible de 7.099.314 KCal Nous devrons donc couvrir :
EMI10.1
<tb> 10 <SEP> MW <SEP> électriques <SEP> + <SEP> Epuration <SEP> des <SEP> gaz <SEP> 31.099.866 <SEP> KCal
<tb>
<tb> laitier <SEP> 800.000 <SEP> KCal
<tb>
<tb> pertes <SEP> diverses <SEP> estimées <SEP> 10% <SEP> 3.544.430 <SEP> KCal
<tb>
<tb> Total <SEP> 35.444.295 <SEP> KCal
<tb>
Dissociation du CO2 2. 464 kg C02 + 5.266,83 KW - 672 kg C (sol) +1.792 kg 02 (gaz) en injectant 672 kg C(sol) Suite à l'action des brûleurs à gaz ou méthanol 1.344 kg C(sol) # 1.344 kg C(gaz) et 1.344 kg C (gaz) +1.792 kg 02 (gaz) # 3.136 kg CO (gaz) + 30.968.000 KCal.
Soit un total : 30. 968.000 + 5.266,83 x 860 = 35.497.473 KCal.
Le gaz de synthèse sera alors :
CO 17.878 + 3.136 = 21.014 kg
C02 16.104 kg
N2 899 kg
H2 1.327 kg
H CI 308 kg
H2S 32 kg avec une chaleur sensible de 31.509.927 KCal à 1.773 K avec une chaleur sensible de 7.194.702 KCal à 500 K Echangeur thermique L'échangeur thermique sera prévu pour extraire 24.375.225 KCal qui par l'intermédiaire d'une installation Turbine - Vapeur + alternateur (n = 0,36) pourra produire 10,203 MW électrique.
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A la sortie de la Turbine, la vapeur sera orientée vers un séchoir à ordures afin d'y évaporer 10 T d'eau par heure et fournir 20 T d'ordures composées 18 T MS + 2 T H20. L'échangeur sera protégé de H CI par la projection au plasma d'une ou plusieurs couches de quartz.
Epuration du gaz par le procédé NEUTREC (SOLVAY) Voir Fig.1 Lavage Afin de réduire la température du gaz de synthèse à 50 C et obtenir une propreté maximum, le gaz subira un dernier lavage au lait de chaux.
Extraction de H2 A 50 C, le gaz pourra être filtré sur tapis moléculaires qui permettrait d'extraire jusqu'à 62% du Hz qu'il contient. L'exemple actuel ne prévoit pas l'extraction de H2 qui est une pratique normale de sociétés telles que UOP, AIR LIQUIDE...
Combustion du gaz de synthèse Le gaz de synthèse réduit à :
CO 21.014 kg
C02 16.104 kg
N2 899 kg
Hz 1.327 kg libèrera par la combustion en présence d'02 pur obtenu par filtration de l'air procédé MEDAL de AIR LIQUIDE.
EMI11.1
Les gaz d'échappement porteurs d'une chaleur sensible de
89.805.250 KCal seront portés à une température excessive.
Pour ramener cette température dans des limites supportables, il faudra ajouter H20 + C02 en respectant pour la composition finale
C02 = 11/9 H2O
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Le gaz d'échappement sera composé :
C02 16.104 + 33.022 = 49.126 kg
H20 11.943 kg
N2 899 kg pour une température de 1.773 K et une chaleur sensible de 89.805.250 KCal, nous devrons : * injecter 5.621 kg C02 * vaporiser 32.850 kg H20 dans la chambre de combustion et la composition finale du gaz de synthèse sera :
C02 54. 747 kg
H20 44. 793 kg
N2 899 kg Si nous voulons transformer ce mélange en méthanol selon Fig.5, nous devrons y ajouter 59.724 kg de CH4 pour obtenir :
EMI12.1
dont la température doit être 500 K.
Chaleur sensible de ce mélange 38.321.946 KCal La chaleur sensible de CH4 à 15 C ou 288 K = 9.301.176 KCal Le mélange N2 + C02 + H20 apporte une chaleur sensible de 29.020.769 KCal.
Reste disponible pour la production d'électricité dans l'unité Turbine - Gaz - Vapeur 89.805.250 KCal - 29. 020.769 KCal = 60.784.481 KCal ou pour n = 50% 35,34 MW Electrolyse de l'eau La production totale d'électricité est 35,34 MW + 10,2 MW = 45,54 MW dont 30 MW sont disponibles pour l'électrolyse de H20 ce qui permet une production de 6. 000 Nm3/h ou 535,7 kg H20.
Par concentration successive du bain d'électrolyse, on peut aussi produire 76,5 gr D2 /h.
Production annuelle 8.000h soit 4.285.600 kg H2 4.8106Nm3 612 kg D2