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La dissociation Moléculaire du CO2 par le Plasma appliquée à la production d'électricité, de nanotubes, d'hydrogène et de méthanol à partir du traitement des déchets urbains 1. Idée synthèse du projet.
2. Le système Plasma.
3. Le générateur plasma.
4. Recyclage du gaz carbonique C02.
. Carbone . Oxygène . C02 5. Dissociation moléculaire du C02 6. Limitation de la température du résultat de la dissociation moléculaire du C02- 7. Résultats de la dissociation moléculaire du C02 .
. Au démarrage ¯ En service continu 8. Démarrage de l'installation.
9. Service continu de l'installation.
. Les déchets ménagers 10. Sélection des gaz.
11. Combustion du gaz dans une installation Turbine - Gaz - Vapeur.
¯ Au démarrage ¯ En service continu 12. Transformation des gaz d' échappement en méthanol.
13. Production d'électricité par l'installation Turbine - Gaz - Vapeur.
14. Résultats du projet.
. Extraction . Production ¯ Consommation . Méthanol ¯ Hydrogène ¯ Electricité
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1. Idée synthèse du projet.
Dans les pays développés, le C02 responsable de la pollution a quatre sources essentielles :
EMI2.1
<tb> Union <SEP> Européenne <SEP> 1995 <SEP> Belgique <SEP> 1995
<tb>
<tb> Les <SEP> Transports <SEP> 828 <SEP> 106 <SEP> Tonnes <SEP> 25,5 <SEP> 106 <SEP> Tonnes
<tb>
<tb> Transformation <SEP> Energie <SEP> 1082 <SEP> 106 <SEP> Tonnes <SEP> 25,5 <SEP> 106 <SEP> Tonnes
<tb> Industrie <SEP> 616 <SEP> 106 <SEP> Tonnes <SEP> 33 <SEP> 106 <SEP> Tonnes
<tb>
<tb>
<tb> Agriculture, <SEP> usages <SEP> domestiques <SEP> 637 <SEP> 106 <SEP> Tonnes <SEP> 30,8 <SEP> 106 <SEP> Tonnes
<tb>
<tb> (Selon <SEP> DG12 <SEP> Commission <SEP> UE)
<tb>
Les dégagements résiduaires de l'industrie représentent pour une zone géographique donnée une concentration en un nombre très restreint de lieux d'émission, (cimenteries par ex.) facilement récupérables.
L'idée générale du projet consiste à récupérer le CO2 industriel, à le transformer par la chaleur du plasma et de gazéifier les déchets urbains.
Le gaz de synthèse ainsi produit servira à générer de l'électricité et le résultat de sa combustion sera transformé en méthanol.
Des gaz à haute valeur ajoutée seront extraits du gaz de synthèse à savoir : . CO qui servira à la fabrication de nanotubes.
. Hydrogène qui sera stocké dans ces nanotubes.
L'hydrogène ainsi stocké pourra servir de carburant/ combustible dans des applications Zéro Pollution.
Le méthanol servira de carburant aux voitures équipées de pile à combustible PEMFC + Reformer qui vont très bientôt être mises sur le marché. Le rendement très élevé de la chaîne traction de ces voitures permet, à puissance égale et kilométrage identique, de rejeter 2,5 fois moins de C02 que la même voiture à moteur thermique.
2. Le système Plasma.
Lorsqu'un gaz est chauffé à haute température, ses propriétés changent. A partir de 2000 C, la molécule de gaz commence à se dissocier et le gaz se modifie en se dirigeant vers l'état atomique. A 3000 C, les atomes perdent quelques électrons. Le gaz est ionisé.
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Le plasma a une bonne conductivité et une haute viscosité comparé au gaz normal. A une température inférieure à 2000 C, le plasma retourne à l'état moléculaire normal pour un gaz.
3. Le générateur plasma.
Un générateur plasma est conçu pour transformer l'énergie électrique en une énergie calorifique portée par un gaz à des températures qui ne peuvent être obtenue par aucun moyen conventionnel.
Avec un générateur plasma, tous les gaz peuvent, en principe, être chauffé pour atteindre l'état plasmatique. L'énergie d'entrée peut être contrôlée et avec exactitude.
L'énergie thermique portée par le gaz peut être utilisée à diverses fins : gazéification - réactions chimiques... peuvent trouver application dans une chambre à réaction à l'avant du générateur plasma. Le gaz porteur participant normalement à la réaction.
Le générateur plasma transforme 85-90% de l'énergie électrique dont il tire son énergie thermique utile et grâce à la haute densité énergétique du plasma, la gazéification et les réactions de transformation prennent très peu d'espace.
Le phénomène est entretenu par conduction électrique (arc) ou induction électromagnétique. L'arc étant dit transféré ou non transféré (soufflé) selon que la partie à traiter est parcourue par le courant qui crée l'arc.
Cet arc peut aussi être créé avec des électrodes en graphites consommables, très utilisées en fonderie de ferrailles. L'arc est alors du type transféré, le courant électrique qui donne naissance à l'arc passe dans la ferraille ou le laitier conducteur qui résulte de la fusion.
4. Recyclage du gaz carbonique C02.
Etant donné l'influence néfaste du C02 sur notre atmosphère (effet de serre), nous voulons le soumettre à une réaction chimique dans la chambre de réaction d'un plasma afin de modifier sa nature et en faire un combustible. Le plasma utilisé sera à arc transféré ou soufflé selon les matières qui participeront aux buts recherchés.
Ce projet consiste essentiellement à récupérer le CO2 dégagé par des industries (cimenteries, centrales à charbon par ex.) sur un site défini et de le transformer en
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méthanol pour véhicules équipés de pile à combustible PEMFC + Reformer réduisant les émissions diffuses des dits transports tout en réduisant d'autant les émissions industrielles.
Le C02 est constitué de carbone et d'hydrogène : Carbone : Une des nombreuses caractéristiques physiques du carbone est son pouvoir de passer brutalement de l'état solide à l'état gazeux, sans passer par l'état liquide comme la règle générale en vigueur dans la nature l'impose. Ce point de changement d'état est appelé Température de Sublimation et varie selon les auteurs de 3600 à 4600 C.
Oxygène : C'est un gaz composé de deux atomes et comme tel soumis à la règle de la dissociation à 2000 C et ionisation à 3000 C.
CO2: A la température ambiante et à la pression atmosphérique le C02 est un gaz composé d'un atome de carbone et de deux atomes d'oxygène, lui aussi soumis à la dissociation moléculaire à une température supérieure à 2000 C - ¯ 2500 C.
5. Dissociation moléculaire du C02 Le C02 recueilli chez un cimentier par ex. par un procédé de membrane céramique développé par nos consultants norvégiens et japonais, est injecté dans un arc électrique de caractéristique calculable.
Cette énergie électrique est cédée à 85% au C02 qui traverse l'arc (fig. 2) ce qui élève sa température à un degré difficile, sinon impossible, à atteindre par une autre technique.
Cette température élevée transforme le C02 en provoquant la dissociation moléculaire à plus de 2000 C.
Si l'énergie électrique d'alimentation égale . 393,7 kj/mole de C02 - une partie de l'oxygène pourrait rester prisonnier du carbone sous forme de CO, ce qui rendrait les réactions futures incertaines.
¯ 890,5 kj/mole de C02 - on est certain que tout l'oxygène se retrouve à l'état atomique, on connaît dès lors, les quantités exactes de réactifs.
. 1158 kj/mole de C02 - le carbone est sublimé ce qui rend les réactions futures incontrôlables.
L'énergie électrique appliquée ne pourra en aucun cas atteindre 1158 kj/mole de C02 (321,66 Watt par mole C02 ) afin de conserver le carbone à l'état solide.
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Les calculs du présent projet sont basés sur 890,5 kj/mole C02 ou 247,3 Watt par mole C02 .
Par une méthode d'injection déjà appliquée en matière de rechargement de pièces diverses (bouteilles de coca en plastique recouverte de verre, ailettes de turbines, cylindres de laminoire...) nous injectons dans la chambre de réaction les produits nécessaires à l'application que nous voulons réaliser. Dans le cas qui nous intéresse, qui a fait l'objet de la demande de brevet 2001-0720, il s'agit de coke moulu à raison de 12gr par mole de C02 utilisé dans l'arc plasma.
Lorsque la température du gaz qui a traversé l'arc descendra sous 2000 C, les molécules d'oxygène se reconstitueront et nous rejoignons alors la chimie conventionnelle avec une réaction 2C + O2 # 2CO fortement exothermique.
L'ensemble des énergies présentent :
Réaction exothermique + énergie de dissociation du C02 nous permet de calculer la quantité totale de C02 à traiter par le plasma en fonction de la chaleur sensible nécessaire au but recherché.
Dans l'application qui nous intéresse, la chaleur sensible dégagée sera très importante et des mesures devront être prises pour en réduire la température à des valeurs compatibles avec les matériaux de construction couramment utilisés.
6. Limitation de la température du résultat de la dissociation moléculaire du CO2.
La chaleur sensible du gaz produit par la dissociation moléculaire est très importante et sa température très élevée.
Nous devons donc, à chaleur sensible égale, augmenter fortement la masse de gaz produite par dissociation, afin d'en abaisser la température.
Pour ce faire, nous avons besoin d'un ou plusieurs gaz qui ne présentent aucun pouvoir calorifique parce que leur combustion aurait pour conséquence l'augmentation de la chaleur sensible du mélange résultant.
Le choix est limité, il se limite à : . C02 (encore lui) ¯ H20 ¯ N2 (exclu pour les risques de N Ox.) Bref, le gaz maléfique devient bienfaisant puisqu'il faudra injecter un mélange H20 + C02 pour abaisser la température à 1500 C.
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Les gaz de protection sont injectés selon le modèle présenté (fig.la).
7. Résultats de la dissociation moléculaire du CO2.
Nous obtenons un mélange gazeux comprenant : CO + C02 + H20 à une température de 1500 C.
Une chaleur sensible qui nous permettra de produire 75% de l'énergie électrique consommée par le plasma.
Cette température de 1500 C est nécessaire parce que : Au démarrage : Nous devons assurer la fusion des scories de fonderies électriques afin de constituer un laitier liquide semblable à celui composé des matières non gazéifiables contenues dans les déchets à traiter. (voir fig.l) En service continu : Les déchets tomberont dans le laitier en fusion pour y pyrolyser et continuer son alimentation en matière non gazéifiable. Le niveau devra être maintenu constant par un trop plein par où le laitier excédentaire sera évacué pour tomber dans une réserve d'eau où il sera vitrifié par refroidissement brutal.
Cette pyrolyse, en service continu, donnera un gaz de synthèse composé de CO - H2 N2 - HCI - H2S selon les déchets traités. Ceux-ci allant des déchets urbains, boues de stations d'épuration, farines animales, vieux pneus, déchets de bois, biomasse, déchets forestiers,...
8. Démarrage de l'installation.
Nous sommes en présence d'un gaz composé :
CO + x C02 + a H20.
Température 1500 C
Chaleur sensible X KCal à définir selon nos besoins.
Nos besoins seront : ¯ Fusion des scories de fonderie type acide - Température de fusion 1500 C -
Bonne fluidité.
¯ Couverture des pertes thermiques par les parois...
¯ Production de 75% des besoins du plasma en énergie électriques.
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Des précautions spéciales devront être mise en oeuvre afin de protéger l'échangeur thermique, qui produira la vapeur en vue de sa transformation en énergie électrique, de la corrosion de ses parties métalliques par le CH1 produit par la gazéification des PVC contenus dans les déchets urbains.
Cette protection a été étudiée, peut être appliquée en Wallonie et si sa résistance permet de travailler à 1500 C, nous limiterons sa zone d'action à 1200 C.
Cette précaution nous impose une seconde baisse de température et l'injection d'une quantité supplémentaire de C02 et H20 portant la composition de notre mélange gazeux à CO,(x+y)CO2,(a+b)H2O qui sera toujours porteur de la même chaleur sensible X mais à 1200 C.
Lorsque nous travaillons en service continu, nous devrons extraire HC1 et H2S du gaz de synthèse par un procédé sec connu déjà en exploitation mais qui nécessite pour son exploitation une certaine énergie contenue dans la chaleur sensible X KCal de notre gaz actuel.
Si y représente cette chaleur sensible nécessaire à l'extraction de HC1 et H2S, nous pouvons donc produire de l'électricité à partir de la chaleur sensible (X - Y) KCal par une installation Turbine - Vapeur, avec le rendement bien connu de 36% :
EMI7.1
de l'ordre de 0,34 Kw par kg de déchets bruts (40% H20) traités. 64% de la chaleur sensible du gaz seraient inutilisés, s'ils n'étaient utilisés en cogénération avec le séchoir de déchets.
En effet, sur base de 726 Kw thermique par Tonne d'eau évaporée ou 6250000 KCal, il est possible de ramener la poubelle moyenne wallonne qui selon DGRNE contient :
60% de matière sèche et 40% de H20 à
90% de matière sèche et 10% de H20.
Le séchage des ordures constituerait une partie de la cogénération de notre installation Turbine - Vapeur.
Cette cogénération pourrait être complétée par une production d'eau distillée en vue d'un nouveau projet de production d'hydrogène on électrolytique.
Enfin, à la sortie de l'échangeur thermique et son traitement d'extraction de HC1 et H2S ; la température du gaz déjà fortement réduite sera amenée à 50 C par un lavage à
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l'eau . L'eau contenue dans le gaz sera condensée et évacuée avec l'eau de lavage afin d'être filtrée par une membrane de micro ou ultrafiltration - procédé existant mais pas de production en Belgique.
Le résultat de cette filtration est tel que l'eau obtenue est qualifiée de pure et peut être utilisée au même titre que l'eau distillée.
9. Service continu de l'installation.
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 :
EMI8.1
<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>
dont la gazéification pyrolytique selon (fig.3) donnerait un gaz composé de : CO - N2 - H2 - HCI - H2S + C02 protection moyennant quelques precautions devant éviter un excès d'oxygène apporté par les 10% de H20 et dont HC1 et H2S auront été extraits.
10. Sélection des gaz.
Notre mélange gazeux sera à ce stade composé de :
EMI8.2
<tb> Au <SEP> démarrage <SEP> Diamètre <SEP> mpléculaire <SEP> En <SEP> service <SEP> continu
<tb>
<tb> CO <SEP> 0,376 <SEP> 10-9 <SEP> n <SEP> CO
<tb>
<tb> C02 <SEP> 0,33 <SEP> 10-9n <SEP> C02
<tb>
<tb> 0,289 <SEP> 10-9 <SEP> n <SEP> H2
<tb>
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0,364 10-9 n N2 et la technique des tamis moléculaires est telle actuellement que l'on est capable de séparer les gaz en fonction de leur perméation et leur dimension moléculaire.
Vitesse de perméation relative H20 - He - H2 - NH3 - CO2- H2S - CH30H - CO - Ar - CH4- C2H6 - C3H6 rapide lent Grâce à ces caractéristiques physiques, nous pouvons séparer les composants de notre mélange gazeux.
N2 rejeté à l'atmosphère ou commercialisé
CO utilisé pour fabriquer des nanotubes
H2 commercialisé tel quel ou en bonbonnes stockés dans des nanotubes.
Sous ces deux applications, H2 peut être utilisé comme carburant sur des véhicules équipés pour rouler au gaz. Il s'agit là d'une application Zéro Pollution.
Si nous procédons à une sélection des gaz partielle seulement, le mélange gazeux restant sera constitué de :
Au démarrage En service continu CO + C02 CO + H2 + C02 11. Combustion du gaz dans une installation Turbine - Gaz - Vapeur.
Cette combustion sera réalisée en présence d'oxygène pur extrait de l'air par les procédés habituels.
Au démarrage : Pour mettre l'installation Turbine - Gaz - Vapeur dans les conditions d'exploitation qui seront les siennes en service continu, nous devons ajouter au mélange gazeux du démarrage, une certaine quantité de méthane afin d'augmenter le pouvoir calorifique de notre mélange.
Ce méthane en quantité relativement faible peut être produit par méthanisation des ordures.
Notre mélange gazeux avant combustion sera de la forme :
CO + CH4 + (x + y) C02 que nous brûlerons en présence d'oxygène pur afin d'éviter N2 et de là N Ox. Dans ces conditions, la température dans la chambre de combustion de l'installation Turbine - Gaz - Vapeur atteindra des valeurs dangereuses résultant de l'absence de N2 qui
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était contenue dans l'air.
Pour pallier cette inconvénient, nous modifierons le mélange gazeux en y ajoutant encore du C02 , il se présentera alors sous la forme : CO + CH4 + (x + y + z) C02 et en injectant de l'eau H20 dans la chambre de combustion Turbine-Gaz - Vapeur afin d'obtenir des gaz d'échappement :
C02 + H20 avec
EMI10.1
En service continu: La composition du gaz de synthèse sera différente et dépendra de la compensation des déchets introduits dans le réacteur.
A cause de la teneur plus élevée en CO et H2 il faudra absolument injecter du C02 dans le gaz avant combustion tout en injectant de l'eau ( H20 ) dans la chambre de combustion pour respecter aussi la composition des gaz d'échappement :
C02 + H20 avec
EMI10.2
12. Transformation des gaz d'échappement en méthanol.
Cette transformation se fait selon l'équation chimique bien connue en présence d'un catalyseur à une température bien définie :
C02 + 2H20 + 3CH4 -> 4CH30H Etant les quantités nécessaires de CH4 celui-ci ne pourra être produit par méthanisation des ordures. Nous aurons recours pour la cause au gaz naturel.
Une version B de cette transformation exposée si après, est de nature à supprimer cette dépendance énergétique.
Cette première réaction se fait en boucle de façon à atteindre après 16-17h de fonctionnement un rendement de 100% au détriment du grossissement de l'installation.
Mais la température nécessaire à cette réaction ne peut provenir que de la combustion du gaz de synthèse dans l'installation Turbine - Gaz - Vapeur, ce qui diminuera d'autant la chaleur sensible pouvant être transformée en électricité.
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13. Production d'électricité par l'installation Turbine - Gaz - Vapeur.
Selon la technique Turbine - Gaz - Vapeur bien connue et un rendement de 50%, on obtient une production d'électricité correspondant au PCI communiqué par DGRNE à savoir : 8,492 kj/kg de déchets bruts (40% H20) traité ou
1,2 Kw par kg de déchets bruts traités.
Ici aussi, la cogénération d'eau distillée peut aussi être envisagée en vue d'approvisionner le projet toujours à l'étude de production hydrogène on électrolytique.
14. Résultats du projet.
Extraction : de C02 des rejets gazeux industriels
1595 kg/Tonne de déchets bruts (40% H20) traités.
Production :
EMI11.1
<tb> CO <SEP> 700 <SEP> kg/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
H2 <SEP> 44 <SEP> kg/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
## <SEP> 1585 <SEP> Kw/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Méthanol <SEP> 5630 <SEP> kg/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
Consommation :
EMI11.2
<tb> ## <SEP> 448 <SEP> Kw/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Coke <SEP> 18,7 <SEP> kg/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Méthane <SEP> 76,5 <SEP> kg/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
(au <SEP> démarrage)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gaz <SEP> naturel <SEP> 2111 <SEP> kg/Tonne <SEP> de <SEP> déchets <SEP> bruts <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> traités.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
(en <SEP> exploitation)
<tb>
Méthanol : Carburant pour véhicules équipés de piles à combustibles PEMFC + Reformer. Rejet 2,5 fois moins de C02 dans l'atmosphère que le même véhicule, même puissance, même kilométrage parcouru.
Hydrogène : ¯ Idem méthanol, véhicule équipé PEMFC sans Reformer. Il s'agit alors d'un véhicule Zéro Pollution.
¯ Idem pour un véhicule à moteur thermique mais rejet si le moteur consomme à l'huile.
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¯ Stockage dans des nanotubes à l'état liquide sous faible pression et -40 à -
50 C. Transporté sans risque.
Electricité : . L'électricité excédentaire peut être commercialisée.
¯ Une partie de cette électricité excédentaire peut servir à l' électrolyse de l' eau.
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VERSION B Nous voyons que la production d'électricité s'élève à 1500 Kw par Tonne de déchets bruts (40% H20) traités.
La consommation plasma s'élève elle à : . 450 Kw par Tonne de déchets bruts (40% H20) traités.
Les pompes - ventilateurs et autres consommations diverses.
. 200 Kw estimation par Tonne de déchets bruts (40% H20) traités.
. 800 Kw restent disponibles dont ¯ 600 Kw par Tonne de déchets bruts (40% H20) traités sont commercialisés.
¯ 200 Kw par Tonne de déchets bruts (40% H20) traités affectés à l'électrolyse
H20.
En électrolyse normale : 200 Kw par Tonne traitée produisent 40 Nm3 de H2 ou 3,360 kg H2 et 32 kg Oxygène La transformation du C02 en un mélange proche de ceux nécessaires à une synthèse du méthanol procède d'une opération de Retroconversion Oxydo-reductrice dont l'équation est la suivante :
EMI13.1
Cette opération est exothermique et peut être réalisée dans un réacteur autothermique à définir et nécessite seulement'/4 de l'oxygène produit par l'électrolyse de l'eau qui a fourni les 4H2.
Les synthèses basse pression sont peut-être à privilégier.
Le solde d'oxygène peut être utilisé sur place ou exporté du site. Il peut servir à sur- oxygèner l'air de combustion ce qui en améliore le rendement, réduit la production de CO en augmentant celle de C02. Il peut aussi être vendu au prix du marché.
Cette version du traitement CO + 2H2 CH3 OH produit moins de méthanol mais assure l'indépendance énergétique (pas de gaz naturel) mais l'abandon d'eau pour abaisser la température, impose une récupération de 3080 kg de C02 par Tonne traitée.
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Molecular dissociation of CO2 by Plasma applied to the production of electricity, nanotubes, hydrogen and methanol from the treatment of urban waste 1. Idea summary of the project.
2. The Plasma system.
3. The plasma generator.
4. Recycling of carbon dioxide C02.
. Carbon. Oxygen. C02 5. Molecular dissociation of C02 6. Temperature limitation of the result of molecular dissociation of C02- 7. Results of molecular dissociation of C02.
. At start-up ¯ In continuous service 8. Start-up of the installation.
9. Continuous service of the installation.
. Household waste 10. Selection of gases.
11. Combustion of gas in a Turbine - Gas - Steam installation.
¯ At start-up ¯ In continuous service 12. Transformation of exhaust gases into methanol.
13. Production of electricity by the Turbine - Gas - Steam installation.
14. Results of the project.
. Extraction. Production ¯ Consumption. Methanol ¯ Hydrogen ¯ Electricity
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1. Summary idea of the project.
In developed countries, the C02 responsible for pollution has four essential sources:
EMI2.1
<tb> European <SEP> Union <SEP> 1995 <SEP> Belgium <SEP> 1995
<Tb>
<tb> The <SEP> Transport <SEP> 828 <SEP> 106 <SEP> Tons <SEP> 25.5 <SEP> 106 <SEP> Tons
<Tb>
<tb> Transformation <SEP> Energy <SEP> 1082 <SEP> 106 <SEP> Tons <SEP> 25.5 <SEP> 106 <SEP> Tons
<tb> Industry <SEP> 616 <SEP> 106 <SEP> Tons <SEP> 33 <SEP> 106 <SEP> Tons
<Tb>
<Tb>
<tb> Agriculture, <SEP> domestic <SEP> uses <SEP> 637 <SEP> 106 <SEP> Tons <SEP> 30.8 <SEP> 106 <SEP> Tons
<Tb>
<tb> (According to <SEP> DG12 <SEP> Commission <SEP> EU)
<Tb>
The residual emissions from industry represent for a given geographical area a concentration in a very limited number of emission sites (cement plants for example) that are easily recoverable.
The general idea of the project consists in recovering industrial CO2, transforming it by the heat of plasma and gasifying urban waste.
The synthesis gas thus produced will be used to generate electricity and the result of its combustion will be transformed into methanol.
High added value gases will be extracted from synthesis gas, namely:. CO which will be used to manufacture nanotubes.
. Hydrogen which will be stored in these nanotubes.
The hydrogen thus stored can be used as fuel / fuel in Zero Pollution applications.
Methanol will be used as fuel for cars fitted with a PEMFC + Reformer fuel cell, which will soon be put on the market. The very high efficiency of the traction chain of these cars allows, at equal power and identical mileage, to reject 2.5 times less C02 than the same car with thermal engine.
2. The Plasma system.
When a gas is heated to a high temperature, its properties change. From 2000 C, the gas molecule begins to dissociate and the gas changes while moving towards the atomic state. At 3000 C, the atoms lose a few electrons. The gas is ionized.
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Plasma has good conductivity and high viscosity compared to normal gas. At a temperature below 2000 C, the plasma returns to the normal molecular state for a gas.
3. The plasma generator.
A plasma generator is designed to transform electrical energy into heat energy carried by a gas at temperatures which cannot be obtained by any conventional means.
With a plasma generator, all gases can, in principle, be heated to reach the plasma state. The input energy can be controlled and accurately.
The thermal energy carried by the gas can be used for various purposes: gasification - chemical reactions ... can find application in a reaction chamber at the front of the plasma generator. The carrier gas normally participating in the reaction.
The plasma generator transforms 85-90% of the electrical energy from which it draws its useful thermal energy and thanks to the high energy density of the plasma, gasification and transformation reactions take up very little space.
The phenomenon is maintained by electrical conduction (arc) or electromagnetic induction. The arc being said to be transferred or not transferred (blown) depending on whether the part to be treated is traversed by the current which creates the arc.
This arc can also be created with consumable graphite electrodes, which are widely used in scrap foundries. The arc is then of the transferred type, the electric current which gives rise to the arc passes through the scrap or the conductive slag which results from the fusion.
4. Recycling of carbon dioxide C02.
Given the harmful influence of CO2 on our atmosphere (greenhouse effect), we want to subject it to a chemical reaction in the reaction chamber of a plasma in order to modify its nature and make it a fuel. The plasma used will be transferred or blown arc depending on the materials which will contribute to the desired goals.
This project essentially consists in recovering the CO2 released by industries (cement factories, coal plants for example) on a defined site and transforming it into
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methanol for vehicles fitted with PEMFC + Reformer fuel cells, reducing diffuse emissions from so-called transport while reducing industrial emissions accordingly.
C02 consists of carbon and hydrogen: Carbon: One of the many physical characteristics of carbon is its power to pass suddenly from the solid state to the gaseous state, without going through the liquid state as the general rule in force in nature requires it. This point of change of state is called Sublimation Temperature and varies according to the authors from 3600 to 4600 C.
Oxygen: It is a gas composed of two atoms and as such subject to the rule of dissociation at 2000 C and ionization at 3000 C.
CO2: At room temperature and at atmospheric pressure, C02 is a gas composed of one carbon atom and two oxygen atoms, also subject to molecular dissociation at a temperature above 2000 C - ¯ 2500 C.
5. Molecular dissociation of C02 C02 collected from a cement manufacturer, for example. by a ceramic membrane process developed by our Norwegian and Japanese consultants, is injected into an electric arc of calculable characteristic.
This electrical energy is ceded to 85% to C02 which crosses the arc (fig. 2) which raises its temperature to a degree difficult, if not impossible, to be achieved by another technique.
This high temperature transforms the CO2 by causing molecular dissociation to more than 2000 C.
If the electrical power supply equals. 393.7 kj / mole of CO2 - part of the oxygen could remain trapped in the carbon in the form of CO, which would make future reactions uncertain.
¯ 890.5 kj / mole of C02 - it is certain that all the oxygen is found in an atomic state, we therefore know the exact quantities of reactants.
. 1158 kj / mole of C02 - the carbon is sublimated which makes future reactions uncontrollable.
The electrical energy applied cannot in any case reach 1158 kj / mole of C02 (321.66 Watt per mole C02) in order to keep the carbon in the solid state.
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The calculations for this project are based on 890.5 kj / mole C02 or 247.3 Watt per mole C02.
By an injection method already applied in terms of reloading of various parts (plastic coke bottles covered with glass, turbine fins, rolling mill cylinders, etc.) we inject the products necessary for the application into the reaction chamber. that we want to achieve. In the case which interests us, which was the subject of patent application 2001-0720, it is ground coke at the rate of 12 g per mole of CO 2 used in the plasma arc.
When the temperature of the gas which has crossed the arc drops below 2000 C, the oxygen molecules will reconstitute and we then join conventional chemistry with a strongly exothermic 2C + O2 # 2CO reaction.
All the energies present:
Exothermic reaction + C02 dissociation energy allows us to calculate the total amount of C02 to be treated by the plasma as a function of the sensible heat necessary for the desired goal.
In the application which interests us, the sensible heat released will be very important and measures will have to be taken to reduce the temperature to values compatible with the commonly used building materials.
6. Temperature limitation of the result of molecular dissociation of CO2.
The sensible heat of the gas produced by molecular dissociation is very high and its temperature very high.
We must therefore, at equal sensible heat, greatly increase the mass of gas produced by dissociation, in order to lower the temperature.
To do this, we need one or more gases which have no calorific value because their combustion would increase the sensible heat of the resulting mixture.
The choice is limited, it is limited to:. C02 (again him) ¯ H20 ¯ N2 (excluded for the risks of N Ox.) In short, the evil gas becomes beneficial since it will be necessary to inject a mixture of H20 + C02 to lower the temperature to 1500 C.
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The shielding gases are injected according to the model presented (fig. La).
7. Results of molecular dissociation of CO2.
We obtain a gas mixture comprising: CO + C02 + H20 at a temperature of 1500 C.
Sensitive heat that will allow us to produce 75% of the electrical energy consumed by the plasma.
This temperature of 1500 C is necessary because: At start-up: We must ensure the melting of the slags of electric foundries in order to constitute a liquid slag similar to that composed of non-gasifiable matters contained in the waste to be treated. (see fig.l) In continuous service: The waste will fall into the molten slag to pyrolyze there and continue its supply of non-carbonated matter. The level must be kept constant by an overflow where the excess slag is evacuated to fall into a water reserve where it will be vitrified by brutal cooling.
This pyrolysis, in continuous service, will give a synthesis gas composed of CO - H2 N2 - HCI - H2S according to the treated waste. These range from urban waste, sludge from sewage treatment plants, animal meal, old tires, wood waste, biomass, forest waste, ...
8. Start of installation.
We are in the presence of a compound gas:
CO + x C02 + a H20.
Temperature 1500 C
Sensible heat X KCal to be defined according to our needs.
Our needs will be: ¯ Fusion of acid type foundry slag - Melting temperature 1500 C -
Good fluidity.
¯ Coverage of thermal losses by the walls ...
¯ Production of 75% of the plasma's electrical energy needs.
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Special precautions must be taken to protect the heat exchanger, which will produce steam for its transformation into electrical energy, from corrosion of its metallic parts by CH1 produced by the gasification of PVC contained in urban waste. .
This protection has been studied, can be applied in Wallonia and if its resistance allows to work at 1500 C, we will limit its area of action to 1200 C.
This precaution imposes a second drop in temperature and the injection of an additional quantity of C02 and H20 carrying the composition of our gaseous mixture with CO, (x + y) CO2, (a + b) H2O which will always carry the same sensible heat X but at 1200 C.
When we work in continuous service, we will have to extract HC1 and H2S from the synthesis gas by a known dry process already in operation but which requires for its exploitation a certain energy contained in the sensible heat X KCal of our current gas.
If y represents this sensible heat necessary for the extraction of HC1 and H2S, we can therefore produce electricity from the sensible heat (X - Y) KCal by a Turbine - Steam installation, with the well-known efficiency of 36 %:
EMI7.1
around 0.34 Kw per kg of raw waste (40% H20) treated. 64% of the sensible heat of the gas would be unused if it were not used in cogeneration with the waste dryer.
Indeed, on the basis of 726 Kw thermal per Tonne of evaporated water or 6250000 KCal, it is possible to bring back the average Walloon trash which according to DGRNE contains:
60% dry matter and 40% H20 at
90% dry matter and 10% H20.
Garbage drying would be part of the cogeneration of our Turbine - Steam installation.
This cogeneration could be supplemented by the production of distilled water for a new project of production of hydrogen on electrolytic.
Finally, at the outlet of the heat exchanger and its treatment to extract HC1 and H2S; the already greatly reduced gas temperature will be brought to 50 ° C. by washing with
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the water . The water contained in the gas will be condensed and discharged with the washing water in order to be filtered by a micro or ultrafiltration membrane - an existing process but not produced in Belgium.
The result of this filtration is such that the water obtained is qualified as pure and can be used in the same way as distilled water.
9. Continuous service of the installation.
Household waste: object of treatment.
According to the documents communicated by the Directorate General of Natural Resources and Environment of the Walloon Region, the average bin would be composed of:
EMI8.1
<tb> Glasses <SEP> 4.43 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Papers <SEP> - <SEP> cartons <SEP> 14.35 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Cardboard <SEP> drinks <SEP> - <SEP> plastic <SEP> 9.08 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Metals <SEP> 3.07 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Textiles <SEP> 11.56 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Residues <SEP> not <SEP> classified <SEP> 4.47 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Organic <SEP> materials <SEP> - <SEP> green <SEP> waste <SEP> 39.53 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Special <SEP> waste <SEP> 0.92 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Fines <SEP> 12,
60 <SEP>% <SEP>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Humidity <SEP> 40 <SEP>% <SEP>
<Tb>
whose pyrolytic gasification according to (fig. 3) would give a gas composed of: CO - N2 - H2 - HCI - H2S + C02 protection with a few precautions to avoid excess oxygen provided by the 10% of H20 and including HC1 and H2S will have been extracted.
10. Selection of gases.
Our gas mixture will at this stage consist of:
EMI8.2
<tb> At <SEP> start <SEP> Diameter <SEP> mplecular <SEP> In <SEP> continuous <SEP> service
<Tb>
<tb> CO <SEP> 0.376 <SEP> 10-9 <SEP> n <SEP> CO
<Tb>
<tb> C02 <SEP> 0.33 <SEP> 10-9n <SEP> C02
<Tb>
<tb> 0.289 <SEP> 10-9 <SEP> n <SEP> H2
<Tb>
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0.364 10-9 n N2 and the molecular sieve technique is currently such that we are able to separate the gases according to their permeation and their molecular size.
Relative permeation rate H20 - He - H2 - NH3 - CO2- H2S - CH30H - CO - Ar - CH4- C2H6 - C3H6 fast slow Thanks to these physical characteristics, we can separate the components of our gas mixture.
N2 released to the atmosphere or marketed
CO used to make nanotubes
H2 sold as is or in cylinders stored in nanotubes.
Under these two applications, H2 can be used as fuel on vehicles equipped to run on gas. This is a Zero Pollution application.
If we only select partial gases, the remaining gas mixture will consist of:
At start-up In continuous service CO + C02 CO + H2 + C02 11. Combustion of gas in a Turbine - Gas - Steam installation.
This combustion will be carried out in the presence of pure oxygen extracted from the air by the usual methods.
At startup: To put the Turbine - Gas - Steam installation in the operating conditions which will be hers in continuous service, we must add to the gas mixture of the startup, a certain amount of methane in order to increase the calorific value of our mixed.
This relatively small amount of methane can be produced by methanization of garbage.
Our gas mixture before combustion will be in the form:
CO + CH4 + (x + y) C02 which we will burn in the presence of pure oxygen in order to avoid N2 and hence N Ox. Under these conditions, the temperature in the combustion chamber of the Turbine - Gas - Steam installation will reach dangerous values resulting from the absence of N2 which
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was contained in the air.
To overcome this drawback, we will modify the gas mixture by adding more C02, it will then take the form: CO + CH4 + (x + y + z) C02 and by injecting H2O water into the combustion chamber Turbine-Gaz - Steam in order to obtain exhaust gases:
C02 + H20 with
EMI10.1
In continuous service: The composition of the synthesis gas will be different and will depend on the compensation of the waste introduced into the reactor.
Because of the higher CO and H2 content, it will be absolutely necessary to inject C02 into the gas before combustion while injecting water (H2O) into the combustion chamber to also respect the composition of the exhaust gases:
C02 + H20 with
EMI10.2
12. Transformation of exhaust gases into methanol.
This transformation takes place according to the well-known chemical equation in the presence of a catalyst at a well-defined temperature:
C02 + 2H20 + 3CH4 -> 4CH30H Being the necessary quantities of CH4 it cannot be produced by methanisation of the garbage. We will use natural gas for the cause.
A version B of this transformation exposed if after, is likely to remove this energy dependence.
This first reaction is done in a loop so as to reach after 16-17h of operation a yield of 100% at the expense of the magnification of the installation.
However, the temperature necessary for this reaction can only come from the combustion of synthesis gas in the Turbine - Gas - Steam installation, which will reduce the sensible heat which can be transformed into electricity.
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13. Production of electricity by the Turbine - Gas - Steam installation.
According to the well known Turbine - Gas - Steam technique and a yield of 50%, we obtain an electricity production corresponding to the PCI communicated by DGRNE, namely: 8,492 kj / kg of raw waste (40% H20) treated or
1.2 Kw per kg of raw waste treated.
Here too, the cogeneration of distilled water can also be considered in order to supply the project still under study for hydrogen or electrolytic production.
14. Results of the project.
Extraction: of C02 from industrial gas emissions
1595 kg / Tonne of raw waste (40% H20) treated.
Production:
EMI11.1
<tb> CO <SEP> 700 <SEP> kg / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
H2 <SEP> 44 <SEP> kg / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
## <SEP> 1585 <SEP> Kw / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
Methanol <SEP> 5630 <SEP> kg / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
Consumption:
EMI11.2
<tb> ## <SEP> 448 <SEP> Kw / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
Coke <SEP> 18.7 <SEP> kg / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
Methane <SEP> 76.5 <SEP> kg / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
(at <SEP> start)
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<tb> Natural <SEP> gas <SEP> 2111 <SEP> kg / Tonne <SEP> of <SEP> raw <SEP> waste <SEP> (40% <SEP> H20) <SEP> treated.
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
<Tb>
(in <SEP> operation)
<Tb>
Methanol: Fuel for vehicles fitted with PEMFC + Reformer fuel cells. Release 2.5 times less C02 into the atmosphere than the same vehicle, same power, same mileage traveled.
Hydrogen: ¯ Same as methanol, PEMFC equipped vehicle without Reformer. It is therefore a Zero Pollution vehicle.
¯ Same for a vehicle with internal combustion engine but rejection if the engine consumes oil.
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¯ Storage in nanotubes in the liquid state under low pressure and -40 to -
50 C. Transported without risk.
Electricity : . Surplus electricity can be marketed.
¯ Some of this excess electricity can be used for the electrolysis of water.
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VERSION B We see that the electricity production amounts to 1500 Kw per Tonne of raw waste (40% H2O) treated.
Plasma consumption amounts to:. 450 Kw per Tonne of raw waste (40% H20) treated.
Pumps - fans and other miscellaneous consumption.
. 200 Kw estimated per Tonne of raw waste (40% H20) treated.
. 800 Kw remain available, of which ¯ 600 Kw per Tonne of raw waste (40% H20) treated is marketed.
¯ 200 Kw per Tonne of raw waste (40% H20) treated for electrolysis
H20.
In normal electrolysis: 200 Kw per Tonne treated produce 40 Nm3 of H2 or 3.360 kg H2 and 32 kg Oxygen The transformation of C02 into a mixture close to those necessary for a synthesis of methanol proceeds from an Oxydo-reducing Retroconversion operation including l equation is as follows:
EMI13.1
This operation is exothermic and can be carried out in an autothermal reactor to be defined and requires only 1/4 of the oxygen produced by the electrolysis of the water which supplied the 4H2.
Low pressure syntheses may be preferred.
The remaining oxygen can be used on site or exported from the site. It can be used to super-oxygenate the combustion air, which improves its efficiency, reduces the production of CO by increasing that of C02. It can also be sold at market prices.
This version of the CO + 2H2 CH3 OH treatment produces less methanol but ensures energy independence (no natural gas) but the abandonment of water to lower the temperature, requires a recovery of 3080 kg of C02 per Tonne treated.