FR2931204A1

FR2931204A1 - Reduction catalytique trifonctionnelle a sec des nox d'une turbine a gaz

Info

Publication number: FR2931204A1
Application number: FR0951607A
Authority: FR
Inventors: Ashok Kumar Anand; James Anthony West; Gilbert Otto Kraemer; Hasan Ui Karim; Sam David Draper; Jonathan Dwight Berry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2009-11-20
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: JP5674281B2; FR2931204B1; US20120098276A1; JP2009276053A; DE102009003610A1; US20090284013A1; RU2502883C2; RU2009109266A; US8991149B2; US8397482B2

Abstract

Système de production d'électricité apte à éliminer, à l'aide d'un catalyseur trifonctionnel, des constituants tels que les NOX présents dans les gaz d'échappement, comprenant un compresseur de gaz afin d'accroître la pression de l'air ambiant fourni au système; une chambre de combustion (6) apte à oxyder un mélange de combustible (12) et d'air comprimé pour générer des gaz d'échappement à haute température détendus ; une turbine à gaz qui utilise la force des gaz à haute température ; un flux (16) de recirculation de gaz d'échappement (RGE) revenant dans la chambre de combustion (6) ; un réacteur catalytique trifonctionnel en aval de la sortie de la turbine à gaz, qui traite le flux de gaz d'échappement afin d'éliminer sensiblement tous les constituants tels que les NOX ; un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) (9) ; un compresseur (1) de flux de RGE ; et un générateur électrique (8).

Description

l B09-0896FR

Société dite : GENERAL ELECTRIC COMPANY Réduction catalytique trifonctionnelle à sec des NOx d'une turbine à gaz Invention de : ANAND Ashok Kumar WEST James Anthony KRAEMER Gilbert Otto KARIM Hasan Ui DRAPER Sam David BERRY Jonathan Dwight

Priorité d'une demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 15 mai 2008 sous le n° 12/153.231

Réduction catalytique trifonctionnelle à sec des NOx d'une turbine à gaz La présente invention est relative à la réduction et/ou la suppression d'émissions de gaz depuis des centrales électriques, en particulier des composés constitués d'oxydes d'azote présents dans les flux d'échappement de centrales qui produisent de l'électricité à partir d'un fluide de travail sous la forme d'un gaz. Plus particulièrement, l'invention est relative à un système de production d'électricité par turbine à gaz à cycle combiné utilisant un fluide de travail gazeux qui a été comprimé, brûlé et détendu afin d'entraîner une turbine à gaz, au moins une partie des rejets de la turbine à gaz étant amenés à recirculer dans la chambre de combustion sous la forme d'un flux de recirculation de gaz d'échappement ("RGE"). L'invention est également relative à un procédé pour traiter les gaz d'échappement à l'aide d'un catalyseur trifonctionnel afin d'éliminer efficacement certains polluants (en particulier les NOS) sans incidence défavorable sur la quantité de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone et d'autres constituants du flux d'échappement qui peuvent eux aussi être séparés et traités.

En fonctionnement normal, les centrales électriques à turbine à gaz à cycle combiné produisent de grandes quantités d'oxydes d'azote (NOx) et de CO2 dans le cadre du processus de combustion. Depuis quelques années, la suppression d'émissions, en particulier, des NOS, est une préoccupation croissante d'organismes publics et fédéraux chargés de la réglementation, tels que l'U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Ainsi, de gros moyens ont été consacrés à la réduction et/ou la suppression de ces émissions indésirables. Lors de la combustion d'hydrocarbures, en particulier liquides, les oxydes d'azote qui résultent de l'envoi d'air dans la chambre de combustion, ainsi que les composés azotés présents dans le combustible lui-même (notamment la pyridine), créent des polluants dont la quantité doit être réduite ou qui doivent être éliminés avant le rejet dans l'atmosphère.

Les turbines à gaz fonctionnent ordinairement suivant ce qu'on appelle le "cycle de Brayton ouvert" dans lequel de l'air est introduit dans un compresseur pour accroître la pression des gaz, puis est brûlé en mélange avec un hydrocarbure, généralement du gaz naturel, afin de produire un fluide de travail à haute température, les principaux produits de combustion étant du dioxyde de carbone, de l'eau (vapeur), de l'oxygène et de l'azote libres, ainsi que des produits indésirables tels que du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote et des hydrocarbures imbrûlés. Normalement, la combustion s'effectue dans des conditions relativement "pauvres", c'est-à-dire avec plus que la quantité stoechiométrique d'oxygène nécessaire pour une combustion complète des constituants de l'hydrocarbure afin de maintenir la température de combustion en deçà de certaines limites pratiques (qui, si elles sont trop élevées, risquent d'avoir des conséquences préjudiciables sur le coût et la durée de vie des matériaux de construction). Le fluide de travail à haute température et haute pression issu d'une chambre de combustion est envoyé dans la turbine à gaz où le fluide de travail se détend et la température du gaz baisse. Dans la plupart des applications, la turbine à gaz entraîne le compresseur ainsi qu'un générateur qui produit de l'électricité. Dans un cycle simple de Brayton ouvert, le fluide de travail sort de la turbine à une température relativement haute et peut ainsi servir à générer de la vapeur dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur ("GVRC") avant d'être rejeté ou traité en aval, notamment pour la réduction des NOX par réduction catalytique sélective ("RCS"). La vapeur créée par le générateur de vapeur à récupération de chaleur peut servir dans le cadre d'une centrale à cycle combiné pour entraîner une turbine à vapeur telle que celle présente dans la plupart des centrales électriques à vapeur à cycle de Rankine fermé, ce qui accroît donc le rendement de production d'électricité de toute la centrale. Un grand défaut des systèmes de turbines à gaz à cycle de Brayton ouvert et à cycle combiné est que les gaz d'échappement contiennent divers oxydes d'azote (NOX) et une grande quantité de dioxyde de carbone (CO2), tous faisant maintenant l'objet d'une surveillance croissante de la part des pouvoirs publics sous l'angle de leurs possibles effets écologiquement nocifs. Ainsi, de par le passé, on a cherché de diverses manières à réduire la quantité de NOS générés par les systèmes de turbines à gaz avant que les NOS ne doivent être séparés et traités. Par exemple, la concentration nominale des NOS peut être réduite en utilisant, comme principale source d'oxygène disponible pour la combustion, les gaz d'échappement d'une chambre de combustion préliminaire (qui contient moins d'azote libre et d'oxygène). On consultera, par exemple, les brevets des E.U.A. n° 3 792 581, 4 009 89 et 4 147 141. Le brevet des E.U.A. n° 3 969 892, au nom de Stettler, décrit de même un système de turbine à gaz dans lequel une partie des gaz d'échappement du brûleur sont amenés à recirculer en passant dans un échangeur de chaleur, puis sont renvoyés dans la chambre de combustion avec, de ce fait, une réduction des oxydes d'azote dans le flux d'échappement. Le brevet des E.U.A. n° 3 949 548, au nom de Lockwood, présente un système de recirculation de gaz d'échappement dans lequel une partie des gaz d'échappement est refroidie et amenée à recirculer dans un compresseur, là encore avec une légère réduction escomptée des oxydes d'azote.

Malgré ces progrès dans la réduction de la quantité de constituants tels que des NOx présents dans les flux d'échappement des turbines à gaz, on continue à avoir besoin d'un procédé et d'un dispositif plus efficaces et moins coûteux pour traiter les émissions d'oxydes d'azote, de CO2 et autres polluants, même dans l'hypothèse où leurs concentrations dans les gaz d'échappement des turbines peuvent être légèrement réduites par des moyens classiques. Les procédés selon la technique antérieure pour l'élimination des NOS dans les systèmes de turbines à gaz faisaient ordinairement intervenir un ou plusieurs des procédés suivants : RCS, réduction non catalytique sélective, décomposition catalytique ou absorption. Les procédés à RCS reposent sur la réduction sélective de l'ammoniac à l'aide de NOS, les réactions de base s'écrivant ainsi : 4NH3 + 2NO + O2 -* 3N2 + 6H2O ; et 4NH3 + 2NO2 + O2 -* 3N2 + 6H2O.

Avec le RCS, les concentrations des oxydes d'azote créés pendant la combustion peuvent être réduites à des valeurs acceptables par 1'EPA. Cependant, ces procédés souffrent d'inconvénients connus, dont la possible formation d'autres composés azotés qui nécessitent un traitement supplémentaire avant d'être rejetés dans l'atmosphère. Un flux de gaz d'échappement peut être "purifié" à l'aide de procédés qui convertissent les NOS en azote libre ou qui séparent par voie physique les NOS des gaz d'échappement. Cependant, ces opérations ont tendance à abaisser le rendement global de la turbine à gaz et ne réussissent pas à éliminer initialement du flux de gaz d'échappement des quantités suffisantes de NOS. Beaucoup de systèmes à RCS impliquent aussi un chauffage pour maintenir une température de réduction régulée et présentent un risque d'émission de sulfate d'ammonium. Les procédés de réduction non catalytique sélective selon la technique antérieure fonctionnent sans aucun catalyseur pour convertir les NOS en azote et en eau par la réaction suivante avec l'ammoniac : 4NH3 + 4NO + 02 -* 4N2 + 6H2O. Malheureusement, les systèmes non catalytiques ont tendance à être limités par un intervalle étroit de températures de réaction et par le fait que les températures du processus peuvent changer avec les variations de charge de la turbine à gaz. De plus, le procédé ne réduit que 60 à 80 pour 100 des NOS tout en nécessitant un grand volume molaire de NH3. En plus d'être coûteux et complexes, les systèmes de décomposition catalytique ont de même tendance à n'éliminer qu'environ 70 pour 100 des NOS, en fonction de l'efficacité du catalyseur. Voici une réaction de décomposition typique : NO eatalyseur> Y2 N2 + 1/2 02. La plupart des procédés d'absorption éliminent les SOS et les NOS à l'aide d'un composé à charbon actif. Le procédé est complexe, a un potentiel d'élimination de NOS limité à environ 40 à 60 pour 100 et nécessite des manipulations de matières solides chaudes.

Ainsi, les procédés existants pour supprimer les NOS dans les flux d'échappement de turbines à gaz présentent des insuffisances bien connues du point de vue du coût et de l'efficacité. Une autre préoccupation majeure dans la conception et le fonctionnement de centrales électriques à turbine à gaz réside dans l'isolement et l'efficacité de l'élimination du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone. Comme indiqué plus haut, de grandes quantités de CO2 sont normalement produites dans les systèmes à cycle combiné où le CO2 constitue l'un des principaux produits de combustion du gaz naturel avec l'air. Eliminer le CO2 nécessite qu'il soit tout d'abord séparé de l'azote et autres constituants gazeux du fluide de travail (par exemple par réaction chimique et/ou absorption physique). Bien que des techniques de séquestration du CO2 soient bien connues, on emploie beaucoup d'énergie pour séparer le CO2 d'autres constituants tels que les NOS, et de ce fait le rendement du système de production d'électricité baisse s'il faut une telle séparation du CO2. Le CO2 peut être piégé par contact direct entre les gaz d'échappement et un absorbant tel que la mono-éthanolamine (MEA). Cependant, les procédés de séparation à MEA risquent de nuire fortement au rendement global de la centrale. Les systèmes de séparation à amine selon la technique antérieure ont invariablement des coûts d'exploitation et d'investissements élevés, en fonction de la présence d'autres composés dans le flux d'échappement et de la concentration du CO2 dans le volume d'effluents gazeux. Ces dernières années, la Recirculation des Gaz d'Echappement (RGE) est devenue une technologie utile pour accroître la concentration du CO2 dans les gaz d'échappement de turbines à gaz, en facilitant l'isolement du CO2 présent dans les effluents gazeux. D'autre part, l'utilisation de la RGE nécessite un équilibrage minutieux des conditions du procédé afin d'éviter un accroissement d'autres émissions (dont les NOS) prohibées pour des raisons écologiques, qui risquent d'être produites dans un milieu pauvre en oxygène du fait d'une combustion incomplète. Des niveaux de RGE bien inférieurs à 40 % sont ordinairement recommandés en raison des faibles concentrations d'oxygène dans la chambre de combustion. Autrement, du CO indésirable peut être produit en raison d'une oxydation incomplète en CO2 dans des flammes riches. De même, au moins une certaine dissociation du CO2 en CO ou du NO2 en NO peut survenir aussi bien lors de combustions stoechiométriques que de celles de combustibles "pauvres", selon les conditions spécifiques de combustion et de RGE en jeu. Or, on a constaté qu'il est possible d'obtenir un certain nombre d'avantages notables en utilisant la RGE dans les conditions de procédé décrites plus loin. En particulier, une réduction de la quantité de NOS dans les gaz d'échappement peut être obtenue à des niveaux de RGE plus élevés tout en en accroissant la concentration de CO2 et en réduisant simultanément fortement la quantité d'oxygène restant dans le flux de gaz d'échappement, c'est-à-dire à des pourcentages égaux ou inférieurs à 4 %. Plus important encore, dans les conditions de RGE décrites plus haut, on a découvert que le flux de gaz d'échappement peut être traité d'une manière bien plus économique et efficace, en l'occurrence en utilisant un catalyseur trifonctionnel sec pour éliminer les NOS. De récentes études conduites par General Electric font ressortir que, dans des conditions de procédé minutieusement régulées, une réduction des NOS atteignant 50 % en utilisant des hauts niveaux de RGE est maintenant possible. Par exemple, des taux de RGE atteignant 35 % et 40 % peuvent être utilisés sans accroître notablement la quantité de constituants indésirables (tels que CO ou NO) dans les gaz d'échappement. On a aussi constaté que les chambres de combustion des turbines à gaz peuvent fonctionner à de grands rendements du combustible et encore réduire la quantité de NOS en utilisant un pourcentage de RGE élevé, tout en maintenant un pourcentage acceptable (voire accru) de CO2, là encore sans accroissement notable de la formation de CO ou NO.

Tout aussi important, l'utilisation de la RGE dans les conditions de procédé régulées décrites ici réduit, jusqu'à 4 % ou moins en volume, la quantité d'oxygène libre restant dans les gaz d'échappement. Ainsi, un exemple de procédé utilisant la RGE aboutit à des seuils inhabituellement bas (voire approchant les 0 %) de quantité d'oxygène restant dans les gaz d'échappement, tout en réduisant la concentration des NOx et en accroissant simultanément le pourcentage de CO2. Pour la première fois, la faible quantité d'oxygène présente dans le flux de recirculation a rendu possible l'utilisation d'un catalyseur trifonctionnel sec pour éliminer les NOx dans le flux final de gaz d'échappement sortant de la centrale. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe illustrant l'agencement classique d'une centrale utilisant la RGE, comprenant les exemples des principaux équipements nécessaires à la mise en oeuvre d'un procédé à RGE ; - la figure 2 est une représentation graphique sous la forme d'une famille de courbes illustrant la concentration de l'oxygène dans les gaz d'échappement d'une turbine pour différentes températures de flammes dans la chambre de combustion, la quantité d'oxygène dans les gaz d'échappement étant comparés, à diverses valeurs de pourcentages de RGE (20, 40 et 50 %), 0 % représentant les gaz d'échappement de la turbine d'un système sans RGE selon la technique antérieure ; - la figure 3 est un schéma de principe d'un procédé illustrant les étapes et équipements de base servant à mettre en oeuvre le traitement par RGE et catalyseur trifonctionnel selon l'invention, comprenant des exemples d'étapes pour parvenir au faible pourcentage d'oxygène souhaitable dans les gaz d'échappement et à l'élimination de constituants tels que des NOx ; - la figure 4 est un schéma de principe d'un procédé pour une autre forme possible de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 2, qui comprend certaines variantes quant aux apports à l'entrée de la chambre de combustion ; - la figure 5A est un schéma d'un procédé illustrant les caractéristiques d'une autre forme possible de réalisation de l'invention utilisant un flux de gaz d'échappement de RGE "chauds" qui contient une partie des gaz de combustion à haute température amenés à recirculer en passant dans la chambre de combustion de gaz pour améliorer l'efficacité globale du système par rapport aux quantités de CO2, de CO et de NOX à traiter finalement ; - la figure 5B illustre sous une forme graphique la température T3.0 de l'air à l'entrée de la chambre de combustion en fonction de la longueur du parcours dans la chambre de combustion, ainsi que la température "TRC" de refoulement du compresseur, qui est figurée à des fins de comparaison avec la température des gaz de combustion sur le parcours dans la chambre de combustion ; - la figure 6 est une représentation graphique de la quantité d'oxygène restant dans les gaz d'échappement de fait de l'utilisation de pourcentages variables de RGE selon l'invention, dans des conditions de procédé régulées ; et - la figure 7 est une représentation graphique comparant les quantités relatives attendues de CO2 et de NOx produites en utilisant différents pourcentages de RGE à des températures variables des flammes dans la chambre de combustion. Un exemple de forme de réalisation du système de production d'électricité selon l'invention comprend les organes de base suivants : un compresseur de gaz qui accroît la pression de l'air ambiant fourni au système ; une chambre de combustion capable de brûler un mélange de combustible (tel qu'un hydrocarbure ou un gaz de synthèse) et d'air ambiant comprimé pour créer un flux de gaz d'échappement à haute température ; une turbine à gaz classique en aval de la chambre de combustion avec des aubes mobiles de turbine pouvant être mues par la force des gaz d'échappement détendus, à haute température ; un flux de RGE à taux élevé fourni à la chambre de combustion ; un réacteur catalytique trifonctionnel en aval de la turbine à gaz, qui est au contact d'un flux de gaz d'échappement contenant moins de 4 % en volume d'oxygène et élimine une quantité notable (normalement environ 70 %) des constituants tels que les NOX ; un générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) ; un refroidisseur (échangeur de chaleur) pour abaisser la température d'une partie des gaz d'échappement sortant du GVRC afin de former un flux de RGE refroidi ; un compresseur de flux de RGE qui accroît la pression du flux de RGE refroidi ; et un générateur électrique couplé à la turbine à gaz pour produire de l'électricité. Le catalyseur trifonctionnel peut se trouver à tout emplacement en aval de la chambre de combustion où la concentration d'oxygène reste inférieure à environ 4 % et la température du gaz assure un niveau acceptable d'efficacité et de durabilité du catalyseur. Dans l'exemple de système de production d'électricité ci-dessus, on a constaté qu'utiliser des taux élevés de RGE (plus de 35 % en volume) à des températures de flammes supérieures à la normale dans la chambre de combustion accroît la quantité nominale de CO2 dans le flux de gaz d'échappement sortant de la centrale. De même, l'utilisation d'une RGE de 40 % à des températures de flammes supérieures à la normale aboutira à un pourcentage de 10 % de CO2 dans les gaz d'échappement.

L'utilisation d'une RGE à haut pourcentage offre donc un certain nombre d'avantages notables. Les émissions de NOS peuvent être réduites alors que la quantité de CO2 est accrue (en réduisant de ce fait fortement la difficulté et le coût de l'isolement et de la séparation du co2 à l'aide de moyens classiques). De plus, la quantité d'oxygène peut être réduite à moins de 4 %, ce qui permet de traiter le flux de gaz d'échappement d'une manière inconnue auparavant dans la technique des turbines à gaz, en l'occurrence en mettant le courant de gaz d'échappement au contact d'un catalyseur trifonctionnel sec afin de réduire et/ou d'éliminer les NOS.

Dans une autre forme de réalisation de l'invention, on a constaté que le volume de produits de combustion partielle potentiels indésirables, tels que NO et CO, peut être encore réduit par recirculation d'une partie des gaz de combustion renvoyés dans la chambre de combustion elle-même. Cette forme de réalisation à RGE "à chaud" a tendance à réduire la quantité de CO et d'hydrocarbures imbrûlés présents dans les gaz d'échappement sortant de la chambre de combustion, en plus de provoquer une légère réduction supplémentaire de la quantité d'oxygène résiduel dans les gaz finalement traités à l'aide d'un catalyseur trifonctionnel.

La figure 1 est un schéma de principe illustrant un agencement général de centrale utilisant la RGE (mais sans catalyseur trifonctionnel), comprenant les exemples d'équipements normalement utilisés pour mettre en oeuvre un procédé à RGE. Comme l'indique la figure 1, le combustible 12 et un flux d'air comprimé 11 issu du compresseur 5 sont combinés et brûlés dans la chambre de combustion 6 pour créer un flux de gaz d'échappement à haute température qui sert de fluide de travail primaire pour entraîner la turbine 7. Les gaz d'échappement sortant de la turbine 7 (encore à une température relativement élevée) passent dans le générateur 9 de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) et dans un refroidisseur 10 de gaz d'échappement, puis reviennent dans le compresseur 1 de flux de RGE sous la forme d'un flux de recirculation de gaz d'échappement 16 contenant un hydrocarbure imbrûlé, du CO, du CO2, du NOS, du NO, de l'oxygène et de l'azote libres, ainsi que d'autres polluants mineurs. Le compresseur 1 de flux de RGE accroît la pression du flux de recirculation de gaz d'échappement 16, puis sépare les gaz de RGE comprimés en deux fractions refoulées depuis différents étages du compresseur, à savoir le flux 17 (approximativement 60 % en volume) qui est fourni au compresseur 2 avant d'être renvoyé dans la chambre de combustion 6. Une seconde partie du flux de gaz comprimé issu du compresseur 2 constitue une partie du fluide de travail pour la turbine 7 (cf. conduite 19). Le flux comprimé 18 venant du compresseur 1 de flux de RGE (approximativement 40 % en volume) entre dans des séparateurs 3 de dioxyde de carbone, le CO2 séparé étant représenté à sa sortie du système en vue d'un autre traitement en 14. Les constituants autres que le CO2 dans le flux 15 issu des séparateurs 3 constituent un fluide de travail supplémentaire pour entraîner la turbine 4, qui coopère avec le relativement exempts de CO2) sont refoulés depuis le système via la conduite 13, en quantité très faible jusqu'à une cheminée d'évacuation de fumées ou un système en aval servant à empêcher la pollution de l'environnement. compresseur 5 et le générateur électrique 8 pour produire de l'électricité. Les gaz d'échappement de la turbine 4 (maintenant La figure 2 est une représentation graphique de la concentration de l'oxygène dans les effluents d'une turbine à différentes températures de flammes dans la chambre de combustion (ce qu'on appelle parfois la "température d'allumage de turbine à gaz"), la quantité d'oxygène dans les gaz d'échappement étant comparée, à diverses valeurs de pourcentages de RGE (20, 40 et 50 %), 0 % représentant les rejets d'un système sans RGE selon la technique antérieure. Comme illustré sur la figure 1, l'utilisation de la RGE dans les exemples de formes de réalisation ci-dessus a tendance à réduire notablement le pourcentage d'oxygène libre dans les gaz d'échappement, tout en accroissant la quantité de dioxyde de carbone, et sans accroître la quantité de CO ou de NOS. Ainsi, la proportion d'oxygène dans les gaz d'échappement à des taux de RGE supérieurs peut être réduire à 4 % ou moins (de préférence près de 0 %), ce qui rend possible l'élimination des NOS du flux d'échappement à l'aide d'un catalyseur trifonctionnel sec. Ainsi, la figure 2 illustre la différence escomptée entre la quantité d'oxygène résiduel restant dans un flux de gaz d'échappement à divers pourcentages de RGE, c'est-à-dire montrant que la concentration d'oxygène baisse fortement à des pourcentages de RGE plus élevés. Bien que chacun des systèmes illustrés sur la figure 2 ait tendance à réduire l'oxygène dans les gaz d'échappement à des températures plus élevées des flammes dans la chambre de combustion, l'utilisation de la RGE selon l'invention donne régulièrement une concentration d'oxygène très inférieure en comparaison des rejets d'une turbine classique sans RGE.

La figure 3 est un schéma de principe de procédé représentant les étapes et équipement de base du procédé, servant à mettre en oeuvre le traitement par RGE et catalyseur trifonctionnel, dont les équipements et étapes pour parvenir à la faible concentration d'oxygène souhaitée dans les gaz d'échappement. Le module à catalyseur trifonctionnel peut contenir un catalyseur d'oxydation avant le catalyseur trifonctionnel afin d'abaisser la concentration d'oxygène au niveau souhaité et un catalyseur d'oxydation après le catalyseur trifonctionnel afin d'abaisser à la valeur voulue la concentration des produits de l'oxydation partielle de l'hydrocarbure. La figure 3 montre que de l'air ambiant entre dans le compresseur 30 et pénètre, à une pression bien plus haute (et à une température légèrement accrue), dans la chambre de combustion 36 via la conduite d'alimentation 34. Comme indiqué plus haut en référence à la figure 1, la chambre de combustion 36 combine un constituant, en l'occurrence un hydrocarbure, avec de l'air pour créer un flux 37 de gaz d'échappement à haute température qui sert de fluide de travail principal pour la turbine 38. Comme représenté, la turbine 38 entraîne à son tour le compresseur 33 de flux de RGE et le compresseur 30. Le flux de RGE "froid" entre dans le compresseur de flux de RGE via la conduite 45 et sort, à une pression nettement supérieure, sous la forme d'un flux de recirculation comprimé. En même temps, les gaz d'échappement de la turbine 38 passent par un réacteur catalytique trifonctionnel 40 via une conduite 39 qui évacue les constituants tels que les NOS. Dans certaines conditions de fonctionnement dépendant de la température en différents points à l'intérieur de la turbine à gaz, il peut être souhaitable de disposer le catalyseur trifonctionnel à l'intérieur de la turbine elle-même plutôt que d'employer un réacteur catalytique séparé en aval. De plus, on pourrait employer des catalyseurs différents pour éliminer les NOS à d'autres endroits en aval du réacteur catalytique (y compris même le GVRC), en fonction du régime de fonctionnement précis dans lequel les catalyseurs agissent à des niveaux acceptables. Ainsi, des catalyseurs trifonctionnels selon l'invention peuvent être disposés en divers points du procédé, à condition que l'endroit soit en aval de la chambre de combustion, que la concentration de l'oxygène reste suffisamment faible pour permettre aux catalyseurs d'éliminer efficacement les NOS polluants et que les conditions du procédé n'aient pas d'effets préjudiciables sur les performances globales du catalyseur. La figure 3 montre que le flux de gaz d'échappement chaud traité 36 passe dans le générateur 41 de vapeur à récupération de chaleur (GVRC). En 43, une fraction notable du flux de recirculation en 43 est ensuite refroidie à l'aide de l'échangeur de chaleur 44 et le flux de RGE refroidi 45 est renvoyé dans le compresseur 33 de flux de RGE comme indiqué plus haut. La figure 3 illustre aussi le fait qu'il peut être avantageux d'utiliser certaines parties du flux de RGE pour contribuer à entraîner la turbine 38 et à fournir à celle-ci des flux auxiliaires (en améliorant de ce fait le rendement global de la centrale dans le but d'obtenir la proportion d'oxygène requise dans les gaz d'échappement), comme représenté par les conduites de refoulement 46, 47 et 48 partant de différents étages du compresseur 33 de flux de RGE. La figure 4 est un schéma de principe d'un procédé pour une autre forme possible de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 3 (utilisant les mêmes repères pour les éléments communs), avec des variantes quant aux apports à l'entrée de la chambre de combustion. La figure 4 montre que le flux refoulé depuis le compresseur de flux de RGE, en 49, peut être amené à passer par un réacteur catalytique riche ou pauvre avant d'entrer dans la chambre de combustion. Le réacteur élimine certains constituants du flux de recirculation (autres que les NOS) afin d'améliorer le mélange de combustion et de donner une stabilité de combustion aux flammes riches en CO2. Un réacteur catalytique "riche" comprendrait, par exemple, un reformeur convertissant un hydrocarbure en mélange plus riche d'oxygène et de CO en accroissant ainsi la souplesse du fonctionnement de la chambre de combustion. La figure 4 illustre aussi le fait qu'un combustible liquide fourni à la chambre de combustion pourrait être prévaporisé en atmosphère non oxydante afin d'améliorer la combustion quand il le faudrait. L'air ambiant comprimé fourni à la chambre de combustion peut aussi être divisé comme représenté, une partie 73 subissant un traitement catalytique préliminaire avant d'être envoyé dans la chambre de combustion. Les figures 5A et 5B liées illustrent les caractéristiques d'une autre forme possible de réalisation de l'invention utilisant un flux de RGE "chaud" de gaz d'échappement constitué d'une partie des gaz de combustion à haute température qui recirculent par passage dans la chambre de combustion elle-même pour améliorer l'efficacité globale du système en ce qui concerne la quantité de CO2, de NOX et autres constituants indésirables des gaz d'échappement qui doivent être finalement traités et/ou éliminés.

La figure 5A est un schéma de procédé montrant qu'une partie du flux de RGE "chaud", c'est-à-dire avant son refroidissement et son envoi au compresseur de flux de RGE, peut être combinée à l'intérieur de la chambre de combustion avec de l'air comprimé, brûlée séparément et directement envoyée dans la turbine à gaz. L'hydrocarbure (indiqué en 51 et 52) est combiné, comme représenté, avec l'air principal refoulé par le compresseur (RC) et peut avoir un dispositif pilote 53, une partie recirculant via les orifices 54 et 55 (en fait "tirée" à travers les orifices du fait de la pression statique plus basse créées par la configuration de venturi inversé) et combinée avec une partie de l'air refoulé par le compresseur. Une fraction plus grande du flux "chaud" à faire recirculer est ensuite directement fournie à la turbine. La figure 5B illustre sous une forme graphique la température Tiniet de l'air à l'entrée de la chambre de combustion en fonction de la longueur du parcours dans la chambre de combustion, c'est-à-dire la "longueur depuis le capot d'extrémité", Tiniet étant mesurée dans l'espace annulaire à l'extérieur de la chambre de combustion. La température de refoulement du compresseur, "TRC", est indiquée à des fins de comparaison avec la température des gaz de combustion sur le parcours dans la chambre de combustion. La valeur de TRC augmentera après mélange avec les gaz de combustion. I1 faut souligner qu'on a constaté qu'accroître la température de l'air à l'entrée de la chambre de combustion tout en réduisant la longueur du parcours dans la chambre de combustion a tendance à réduire les concentrations des NOX et de CO dans les gaz d'échappement. La figure 6 est une représentation graphique de la quantité d'oxygène restant dans les gaz d'échappement par suite de l'utilisation de pourcentages variables de RGE selon l'invention dans des conditions de procédé régulées. Comme l'indique la figure 6, lorsqu'on utilise des niveau de RGE supérieurs à environ 45 % en volume, la concentration de l'oxygène dans les gaz d'échappement finals baisse au-dessous de 4 %, en permettant de ce fait l'utilisation d'un catalyseur trifonctionnel pour éliminer les constituants tels que les NOX dans le flux d'échappement résultant. La figure 6 illustre aussi la façon dont la concentration de l'oxygène des gaz d'échappement baisse nettement, dans des conditions comparables d'humidité spécifique d'entrée, passant d'une valeur haute d'environ 12 % à environ 1 % à mesure qu'augmente le pourcentage de RGE.

La figure 7 est une représentation graphique comparant les quantités relatives escomptées de CO2 et de NOx produites à l'aide de différents pourcentages de RGE à des températures variables des flammes à la sortie de la chambre de combustion. La figure illustre ainsi l'effet typique de la RGE sur les émissions de NOx d'une chambre de combustion à prémélange pour une série de températures de flammes à la sortie. La figure 7 met en évidence le fait qu'utiliser un fort pourcentage de RGE a réellement tendance à accroître la quantité de CO2 présente dans les gaz d'échappement à traiter, ce qui facilite et rend moins coûteux l'isolement et l'élimination du CO2 à l'aide de moyens classiques. La figure 7 montre aussi que la quantité de NOx diminue légèrement à mesure que baisse la température des flammes de la chambre de combustion. Ainsi, selon un aspect de l'invention, une plus grande efficacité du procédé peut résulter de la température des flammes dans la chambre de combustion et de niveaux de RGE qui n'ont pas tendance à accroître la quantité de NOx produite. Par conséquent, la figure 7 est un exemple illustrant la dépendance des NOx par rapport à la température des flammes et le taux de RGE pour un exemple de système de combustion de turbine à gaz. Les valeurs réelles, spécifiques du procédé, dépendront du cycle particulier de turbine à gaz utilisé, du type de combustible et même éventuellement de la conception de la chambre de combustion. Des catalyseurs trifonctionnels secs de conversion, utiles pour la mise en oeuvre de l'invention, c'est-à-dire réduisant et/ou éliminant les NOx résiduels des gaz d'échappement, sont bien connus dans l'industrie automobile mais, jusqu'à présent, n'ont pas été utilisés (voire suggérés, d'après ce qu'en savent les demandeurs) dans la technique des turbines à gaz, principalement parce que les catalyseurs ne sont simplement pas efficaces pour éliminer les constituants tels que les NOx quand la teneur en oxygène dépasse environ 4 % en volume. Généralement parlant, les catalyseurs trifonctionnels sont aptes à stimuler les réactions d'oxydation pour les hydrocarbures et le monoxyde de carbone (HC et CO), ainsi que la réaction de réduction des NOS. Les catalyseurs trifonctionnels connus utiles dans l'invention comportent un ou plusieurs métaux du groupe du platine dispersé(s) sur une base (de support) avec une surface bien développée en oxydes stables tels que yAl2O3, conjointement avec des oxydes de Zr ou Ce et un ou plusieurs oxydes des métaux alcalino-terreux Ba, Ca et Sr. La base du catalyseur peut être appliquée sous la forme d'un revêtement sur un support tel qu'un bloc de céramique ou un feuillard métallique enroulé en spirale, en Fe-Cr-Al ou en matières anti-corrosion sur une base de fer, ou d'autres façons connues des spécialistes de la technique des catalyseurs. Outre les métaux du groupe du platine, les catalyseurs trifonctionnels qui contiennent un ou plusieurs oxydes d'éléments d ont tendance à accroître l'efficacité de catalyseurs du groupe du platine en maintenant la disponibilité de l'oxygène par l'intermédiaire de l'accumulation convertible d'oxygène pendant le cycle et en supprimant la production de gaz toxiques tels que H2S et NH3. D'autres compositions de catalyseurs trifonctionnels connues des spécialistes de la technique des catalyseurs, mais non utilisées jusqu'à présent pour traiter des gaz d'échappement de turbines à gaz (par exemple, des catalyseurs à base de platine d'une génération plus récente), peuvent être employées pour traiter à l'aide du procédé décrit ici les gaz d'échappement générés, à condition que de tels catalyseurs soient capables d'éliminer jusqu'à environ 4 % en volume de NOx.

LISTE DES REPERES

1 ù Compresseur de flux de RGE 2 ù Compresseur 3 ù Séparateurs/Séparateurs de dioxyde de carbone 4 ù Turbine d'entraînement 5 ù Compresseur 6 ù Chambre de combustion 7 ù Turbine d'entraînement 8 ù Générateur électrique 9 ù Générateur de vapeur à récupération de chaleur (GVRC) 10 Refroidisseur de gaz d'échappement 11 Flux d'air comprimé 12 Combustible 13 Conduite 14 Traitement en 14 15 Flux 16 Flux de recirculation de gaz d'échappement 17 Flux 18 Flux comprimé 30 Compresseur 33 Compresseur de flux de RGE 34 Conduite d'alimentation 37 Flux de gaz d'échappement 38 Turbine 39 Conduite 40 Réacteur catalytique trifonctionnel 43 Fraction notable du flux de recirculation en 43 44 Echangeur de chaleur 45 Conduite / Flux de RGE 46, 47 et 48 ù Conduites de refoulement 49 ù Refoulement depuis le compresseur de flux de RGE en 49 51 et 52 ù Hydrocarbure 3 û Dispositif pilote 54, 55 û Orifices 73 - Partie ti

Claims

REVENDICATIONS1. Système de production d'électricité comprenant, en combinaison : un compresseur de gaz ayant une entrée pour l'air ambiant, un 5 moyen pour accroître la pression dudit air ambiant et une sortie pour l'air ambiant comprimé ; une chambre de combustion (6) en aval dudit compresseur de gaz ayant des entrées pour ledit air ambiant comprimé et le combustible (12) et pouvant brûler un mélange dudit combustible (12) et dudit air ambiant 10 comprimé pour générer des gaz d'échappement à haute température passant par une sortie de la chambre de combustion (6) ; une turbine à gaz en aval de ladite chambre de combustion (6) ayant une entrée reliée à la sortie de ladite chambre de combustion (6), des aubes mobiles de turbine pouvant être mues par la force desdits gaz 15 d'échappement à haute température détendus, et une sortie pour les gaz d'échappement partiellement usés ; un réacteur catalytique trifonctionnel (40) en aval de ladite turbine à gaz ayant une entrée pour recevoir et être au contact des gaz d'échappement partiellement usé, ledit réacteur catalytique 20 trifonctionnel (40) étant capable d'éliminer sensiblement la totalité des constituants tels que les NOX présents dans lesdits gaz d'échappement ; et un générateur électrique (8) couplé à ladite turbine à gaz pour produire de l'électricité. 25
2. Système de production d'électricité selon la revendication 1, comprenant en outre un générateur de vapeur (9) à récupération de chaleur (GVRC) en aval dudit réacteur catalytique trifonctionnel (40)
3. Système de production d'électricité selon la revendication 2, comprenant en outre un moyen de refroidissement pour abaisser la 30 température desdits gaz d'échappement afin de former un flux de recirculation de gaz d'échappement refroidis (16) amené à recirculer dans ladite chambre de combustion (6).
4. Système de production d'électricité selon la revendication 3, comprenant en outre un compresseur (1) de flux de RGE en aval dudit GVRC (9) ayant une entrée pour ledit flux de RGE refroidi (45) et une sortie reliée à ladite chambre de combustion (6), ledit compresseur étant apte à accroître la pression dudit flux de RGE refroidi (45).
5. Système de production d'électricité selon la revendication 3, comprenant en outre, en aval dudit GVRC, un échangeur de chaleur (44) apte à abaisser la température d'une certaine partie desdits gaz d'échappement pour former ledit flux de RGE refroidi (45) et permettre l'élimination de l'eau (vapeur) présente dans ledit flux de RGE avant le renvoi de celui-ci dans ladite chambre de combustion (6).
6. Système de production d'électricité selon la revendication 3, dans lequel le volume dudit flux de RGE est maintenu au-dessus d'environ 35 % en volume.
7. Système de production d'électricité selon la revendication 1, dans lequel la quantité d'oxygène présente dans lesdits gaz d'échappement avant de venir au contact du catalyseur dans ledit réacteur catalytique trifonctionnel (40) est d'environ 4 % en volume ou moins.
8. Système de production d'électricité selon la revendication 1, comprenant en outre des moyens pour faire recirculer une partie des gaz d'échappement à haute température générés par ladite chambre de combustion (6) afin d'accroître de taux d'oxydation après le mélange de ladite partie des gaz avec de l'air comprimé issu dudit compresseur d'air.
9. Système de production d'électricité selon la revendication 1, dans lequel ledit réacteur catalytique trifonctionnel (40) utilise un catalyseur comportant un ou plusieurs métaux du groupe du platine dispersé(s) sur une base de support ayant une surface en oxydes stables.
10. Procédé pour traiter à l'aide d'un catalyseur trifonctionnel les constituants tels que les NOX présents dans les gaz d'échappement d'une turbine à gaz en commençant par réduire la quantité d'oxygène présente dans lesdits gaz d'échappement avant un traitement au moyen dudit catalyseur trifonctionnel, ledit procédé comprenant :l'accroissement de la pression de l'air ambiant fourni à un compresseur à gaz; l'envoi de l'air ambiant comprimé et d'un combustible (12) dans une chambre de combustion (6) de gaz ; la combustion dudit air ambiant comprimé et dudit combustible pour créer un flux de gaz d'échappement à haute température (37) contenant moins d'environ 4% en volume d'oxygène ; l'envoi desdits gaz d'échappement à haute température dans une turbine à gaz en aval de ladite chambre de combustion (6) de gaz, ladite turbine à gaz étant couplée à un générateur électrique (8) pour produire de l'électricité ; et la mise au contact des gaz d'échappement partiellement usés issus dudit générateur de turbine à gaz avec ledit catalyseur trifonctionnel disposé en aval de ladite turbine à gaz, ledit catalyseur trifonctionnel étant apte à éliminer sensiblement la totalité de constituants tels que les NOX présents dans lesdits gaz d'échappement.