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WO2020188344A1 - Dispositif et procede pour le traitement de matiere fractionnee par plasma a temperatures intermediaires - Google Patents

Dispositif et procede pour le traitement de matiere fractionnee par plasma a temperatures intermediaires Download PDF

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Publication number
WO2020188344A1
WO2020188344A1 PCT/IB2020/000105 IB2020000105W WO2020188344A1 WO 2020188344 A1 WO2020188344 A1 WO 2020188344A1 IB 2020000105 W IB2020000105 W IB 2020000105W WO 2020188344 A1 WO2020188344 A1 WO 2020188344A1
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WO
WIPO (PCT)
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particles
plasma
treated
reactor
gas
Prior art date
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Application number
PCT/IB2020/000105
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English (en)
Inventor
Pavel Koulik
Vassili KULIK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABENZ 81-40
Original Assignee
ABENZ 81-40
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABENZ 81-40 filed Critical ABENZ 81-40
Priority to EP20719712.0A priority Critical patent/EP3981226A1/fr
Publication of WO2020188344A1 publication Critical patent/WO2020188344A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
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    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the present invention consists of a device for the plasma-chemical treatment of fractionated material at a pressure close to or above atmospheric pressure by non-isothermal plasma flow and a process obtained by this device.
  • Plasma technology is essential for its purpose of carrying out high energy density treatments. This is its essential purpose and it is unmatched in it. This allows it to create new qualities such as the welding of thermo-refractory metals, the activation of surfaces increasing adhesion to the bonding, the deposition of protective films on delicate surfaces, the stripping of thin layers, etc. (see “Atmospheric plasma technology in industry, 1980 - 2015” Wikipedia).
  • the boiler can be started from room temperature, operating at intermediate loads up to 10%, for example, of the nominal load of the power station, to "burn” any kind of fuel ranging from anthracite, passing through all varieties of hard coal and lignite, to biomass.
  • the invention WO 2011/138525 A1 describes the PIT generator to be used.
  • the invention WO 2014 / 076-381 describes the PIT reactor.
  • the conditions for producing the PIT generator as described in WO 2011/138525 A1 and those for producing the PIT reactor as described in WO 2014 / 076-381, are obviously necessary. But, nevertheless, if we refer only to these two inventions, the process will not be optimal, or even not feasible.
  • the parameters of the PIT generator and of the reactor are chosen in such a way that the plasma is overheated because the characteristics of the electric pulses (in particular, their duration, the average intensity of the electric current, the average value of the voltage between the electrodes) are not optimal, or even that the plasmochemical process is not carried out or is carried out badly because, for example, the contact time of the reactive agents with the plasma flow is not sufficient or, on the contrary, is excessive. It can also happen that the particles generated in the PIT plasma do not reach the surface to be treated given the thickness of the boundary layer which surrounds the particle to be treated. In general, the conditions described in the cited inventions are not sufficient, sometimes even contradictory to those for the optimum performance of the targeted plasmochemical process.
  • One of the aims of the present invention is to introduce a PIT-PTTM process and the corresponding PIT-PTTM reactor, capable of optimizing the target plasmochemical process, thanks to the intensification of the turbulent nature of the PIT plasma generated, d '' to determine the intrinsic properties thereof and to describe the conditions of production and operation thereof, in particular in the field of the treatment of fractionated materials, for example powders.
  • the two inventions mentioned do not allow most of the plasmochemical treatments to be carried out because the parameters of the processes and devices mentioned are not in accordance with the characteristics of the materials to be treated and the intrinsic properties of the processes. technological targets. If we take as an example the particular case of the torrefaction of biomass particles moving in a flow of support gas and that the generating power of the plasma pulses is not matched with the flow rate of the material to be treated, its properties, the geometric characteristics of the reactor, the specific plasma generation times, the roasting process will not take place. To do this, it is not sufficient to generate only a plasma of highly excited molecules, in a large volume, so as to increase the contact of the plasma with the particles of material to be treated as much as possible. The expected effect will not be achieved if the impact energy of the plasma particles is less than the energy threshold of the targeted plasmochemical reaction, which is, in the example considered, of the order of 0.1 eV to 0.2 eV per impact.
  • the targeted plasmochemical reaction will not take place if the active particles of the plasma and the high-energy electrons fail to cross the boundary layer surrounding the particle of material to be treated and access the surface of this particle.
  • the present invention therefore consists, first of all, in organizing the claimed method so as to satisfy the stated conditions.
  • Objects of the invention are achieved through the creation of a plasma flow reactor PIT generated by a source of controlled pulses of electric current at high voltage and at a pressure close to atmospheric pressure or greater than atmospheric pressure meeting the following plasmochemical, electrodynamic and energetic conditions:
  • PIT particles ie electrons and particles excited by inelastic collisions with electrons
  • the thickness of the boundary layer d must be substantially less than the mean electron scattering length, Xe, ie d.
  • Qen is the mean scattering cross section of electrons with respect to neutrals (the PIT medium is always a weakly ionized medium, so the density of neutrals is equal to the density of the plasma particles P / kTg;
  • Tg is the temperature of the environment
  • k is Boltzmann's constant
  • m * is the mn / me ratio
  • mn is the mass of neutral particles
  • me is the mass of electrons
  • D is the mean characteristic diameter of the particles of material to be treated
  • Re vD / v
  • v is the speed of the particles of material to be treated
  • v is the kinematic viscosity
  • the time lapse between pulses, t2 are determined by the conditions of dissipation of the energy released during the passage of electric current through the plasma. This dissipation mainly depends on convective and radiative exchanges between the plasma and its environment. In practice, we have
  • PIT pulse discharge is characterized by the development of a plasma channel formed by the carrier gas causing the discharge to the outside of the electrodes.
  • I the average current of an electric pulse
  • V the average voltage between the electrodes
  • Tp the temperature of the gas in the channel where The discharge takes place is smaller than the temperature Tp above which an electric arc develops.
  • the temperature Tp varies within the limits 2500 K ⁇ Tp ⁇ 3200 K.
  • c is the thermal capacity of the carrier gas PIT (J / m3 K);
  • Tg is the temperature of the support gas surrounding the channel of the PIT discharge (K);
  • d is the mean diameter of the discharge channel (m);
  • L is the mean length of the plasma channel PIT (m).
  • n is the numerical density of the particles of material to be treated in the flow of carrier gas
  • v is the speed of the flow of carrier gas and therefore of the particles of material to be treated, (m / s);
  • E is the maximum activation energy on a particle of material to be treated (J);
  • L is the length of the plasma jet considered to be substantially equal to the length of the reactor (m);
  • K is a dimensionless empirical coefficient which takes into account the path non-linearity of the particles of material to be treated subjected to the hydrodynamic pulses of the turbulent plasma flow PIT and the competition between the hydrodynamic action of the plasma flow and that of the hydrodynamic pressure of the flow of particles of material to be treated, directed against the flow of plasma PIT.
  • N is the number of impacts of activation of the particles of matter to be treated by the electrons of the plasma, per second (s-1).
  • N S. ne.ve
  • S is the area of the material particle to be treated (m 2 ), equal to p D 2 (D - characteristic diameter of the material particle to be treated in m);
  • ne is the numerical density of electrons in the plasma channel at temperature Tp (see J. Aubreton, C. Bonfoi, JMMaxmain, Revue de Physique appliquéd 1986 21 (6) pp365 - 376, Calcul des properties thermodynamiques et des coefficients de transport in a plasma in thermodynamic non-equilibrium at atmospheric pressure);
  • ve is the average speed of the electrons in the plasma (m / s).
  • Te is the temperature of the electrons of the plasma PIT near the particles of material to be treated (K);
  • me is the mass of electrons (kg).
  • Equations (1), (2) and (5) determine the conditions, for the construction parameters of the PIT plasma and of the reactor, under which the present invention is applicable for the targeted plasma-chemical treatment of particles in a PIT reactor. .
  • equations (1), (2) and (5) relate the parameters of the construction of the device, t, L, L, S, d, K, the parameters of the process, Tg, Tp , Te, P, v, I, V, tl, t2, the parameters of the particles of material to be treated, D, S, E, and the properties of the materials used, c, mn, Qen, v.
  • the process for the plasma-chemical treatment of fractionated material in a plasma-chemical reactor using a pulse plasma generator of the type called PIT-PTTM according to the invention is characterized in that the turbulent nature of the PIT plasma is reinforced, that the average generating power of the plasma flux known as PIT, equal to the product of the average amplitude of the voltage applied to the electrodes, V, by the average intensity of the current, I, in a pulse, is subjected to the conditions following plasmochemical, dissipative, electrodynamic and energetic:
  • Tg is the temperature of the support gas surrounding the channel of the PIT discharge (K);
  • m * is the mn / me ratio
  • me is the mass of electrons
  • Qen is the mean scattering cross section of the plasma electrons among the gas particles of the reaction zone
  • v is the speed of the particles of material to be treated
  • v is the kinematic viscosity of the medium in which the particles of material to be treated move
  • tl is the duration of an electrical pulse
  • t2 is the time lapse between electrical pulses
  • n is the concentration of particles of material treated (m -3 );
  • v is the average speed of passage of the particles of material treated through the PIT reactor (m / s);
  • S is the area of the plasma jet PIT inside the reactor (m 2 );
  • E is the activation energy transferred to the particles of matter treated by the particles (molecules, free radicals, atoms) excited in the plasma jet PIT or by the electrons from the plasma jet PIT and which reach the surface of the particle of material treated (J)
  • N is the number of activation impacts per second on a particle of material treated (s -1 );
  • K is the activation factor (according to experience, 10 ⁇ K ⁇ 50 depending on the geometry of the reactor)
  • t is the flight time ( ⁇ L / v) of a particle of material treated through the reactor ( s);
  • L is the characteristic length of the reactor, (m);
  • c is the specific heat of the gas carrying particles of treated material passing through the PIT reactor (J / K / m 3 );
  • Tp is the characteristic temperature of the heavy particles (molecules, radicals, atoms) of the plasma PIT (K);
  • Tg is the characteristic temperature of the gas surrounding the plasma channels PIT (K), in the reaction zone;
  • d is the mean diameter of the plasma channels (m);
  • L is the characteristic length of the plasma channels.
  • the present invention also relates to a device in which the target plasmochemical reaction is carried out following the action of one or more plasmatrons called PIT 1 containing one or more electrodes forming plasma channels of length L and of diameter d, mounted in a reactor provided with a duct (s) introducing the particles of material to be treated, entrained by a support gas in the form of a flow inclined with respect to the axis of the reactor at an angle a, the construction of the device providing for an evacuation duct for the particles of material to be treated after their treatment, and an evacuation duct for residual gases with filter, recovery system and valves, the construction being carried out so that the flow of particles of material to be treated performs in the reaction zone a loop-shaped trajectory whose dimensions are determined by the choice of the length L of the reactor, the surface S of the section of the plasmatron (s), the angle a, of the speeds of the support gas and of the particles of material to be treated, v, of the speed of the gas flows coming from the plasmatron (s) (generally
  • FIG. 1a shows an example according to the invention of the distribution over time of the amplitudes of the high-frequency electric current pulses such as modulated
  • FIG. lb shows an example of
  • FIG. 2 shows the construction diagram of a plasmochemical reactor allowing the implementation of the process claimed in the present invention.
  • Fig.3 shows a particular case of the device for implementing the method as defined in the present invention.
  • Fig.4 illustrates the construction of the reactor designed to operate, in particular, at high pressure.
  • Fig. 5 illustrates the medical application of the present invention.
  • the impact energy of the plasma particles is less than the energy threshold of the targeted plasmochemical reaction, which is, in the example considered, of the order of 0.1 eV to 0.2 eV per impact.
  • the present invention therefore consists, first of all, in organizing the claimed method as follows.
  • PIT-PTTM plasma is generated by one or more PIT generators as described in the invention WO 2011/138525 A1, METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A NON-ISOTHERMAL PLASMA JET, Priority Date 05.05.2010 which create a non-thermal plasma jet in a so-called PIT reactor, as described in the invention WO 2014 / 076-381, METHOD AND DEVICE FOR TREATING TWO-PHASE FRAGMENTED OR PULVERIZED MATERIAL BY NON-ISOTHERMAL REACTIVE PLASMA FLUX. Priority date: 22.05.2014.
  • the plasma jet known as PIT-PTTM used in the present invention is supplied by an electric current pulse generator.
  • the character of the pulses and their parameters are shown in Fig. 1.
  • the duration of a pulse t1 must be such that the temperature of the plasma channel does not exceed the value Tp.
  • Tp ⁇ 2000 - 3500 K.
  • the duration of the time lapse between pulses, t2 should be such that the thermal energy accumulated in the plasma channel is dissipated by convection and radiation to the surrounding area.
  • a jet of particles of material to be treated with a flow rate G mnvp.S, supported by a flow of carrier gas, is introduced into the reactor at an angle a, adjustable, between the axis of the particle feed tube of material to be treated and the axis of the reactor, in the plasma jet, mainly against the turbulent flow of plasma known as PIT.
  • the value of the speed of the particle flow, vp is close to the average speed of the plasma flow v and the section S of the inlet tube of the particles of material to be treated is close to the section of the plasma jet.
  • the dynamic pressure coming from the jet of particles of material to be treated, on the one hand, and, on the other hand, the dynamic pressure exerted by the plasma jet, the particles of material to process are slowed down, the axial projection of their relative speed with respect to the reactor passes through zero and their trajectory makes a loop.
  • the width of this loop depends on the angle a and the values of the speeds vp and v.
  • the size of the loop is all the greater the larger the size of the particles to be treated. This makes it possible to automatically vary the contact time of the particles of material to be treated with the plasma jet PIT, and therefore to control the process.
  • the process is also controlled by varying the angle ⁇ , the flow rate G, and the parameters of the electric current pulses.
  • the particles of material to be treated which have not been sufficiently treated, because they pass through the periphery of the plasma jet, are projected onto the wall of the reactor and, under the action of gravity, fall into a receptacle and are returned to the distributor of particles of material to be treated.
  • This mentioned control ensures that the plasma energy is transferred to the particles of material to be treated through the boundary layer surrounding the particles of material to be treated, according to the plasmochemical condition, that the minimum reaction energy is indeed transferred to the particles of material to be treated, according to equation 2, that the energy generated in the plasma channels is small enough that the temperature of the plasma remains below Tp, according to equation 3, and the energy of the plasma is properly discharged into the surrounding area in the time lapse t2 between current pulses electrical, according to equation 4, and, optionally to make the plasma flow turbulent, with a controlled turbulence scale and by the desired speed of the reactions, measured, for example, by the flow rate of the particles of treated material leaving the reactor.
  • one of the peripheral gases is methane.
  • methane On contact with plasma, methane decomposes into hydrogen H2 and carbon C.
  • the latter at relatively low temperature, forms solid particles of soot which interfere with the process and can be deposited on building elements and create obstructions to various gas flow. It is therefore necessary to eliminate them by organizing hydrodynamic curtains whose functions are to separate the solid particles from the construction elements while preserving, and even reinforcing the effects of turbulence which contribute to accelerating the plasmochemical reactions, while organizing the reactions favoring the destruction particles formed, for example, in the case of soot particles, by oxidizing them in a flow of air or oxygen, separately from the structural elements of the device.
  • the present invention claims a device whose power supply mode is illustrated in Fig.la and lb.
  • the power supply of the PIT plasmatron (s) is provided by a pulse generator, for example of the “inverter” type. Electric current is generated by high frequency pulses.
  • k is Boltzmann's constant
  • Tg is the temperature of the support gas surrounding the channel of the PIT discharge (K); m * is the mn / me ratio;
  • mn is the mass of neutral particles
  • me is the mass of electrons
  • Qen is the mean scattering cross section of the plasma electrons among the gas particles of the reaction zone
  • D is the mean characteristic diameter of the particles of material to be treated
  • v is the speed of the particles of material to be treated
  • v is the kinematic viscosity of the medium in which the particles of material to be treated move
  • tl is the duration of an electrical pulse
  • t2 is the time lapse between electrical pulses
  • n is the concentration of particles of material treated (m -3 );
  • v is the average speed of passage of the particles of material treated through the PIT reactor (m / s);
  • S is the area of the plasma jet PIT inside the reactor (m 2 );
  • E is the activation energy transferred to the particles of matter treated by the particles (molecules, free radicals, atoms) excited in the plasma jet PIT or by the electrons from the plasma jet PIT and which reach the surface of the particle of processed material (J);
  • N is the number of activation impacts per second on a particle of material treated (s 1 );
  • K is the activation factor (according to experience, 10 ⁇ K ⁇ 50 depending on the geometry of the reactor);
  • t is the time of flight ( ⁇ L / v) of a particle of material treated through the reactor (s);
  • L is the characteristic length of the reactor (m);
  • c is the specific heat of the gas carrying particles of treated material passing through the so-called PIT reactor (J / K / m 3 );
  • Tp is the characteristic temperature of the heavy particles (molecules, radicals, atoms) of the plasma known as PIT (K);
  • Tg is the characteristic temperature of the gas surrounding the plasma channels PIT (K), in the reaction zone;
  • d is the mean diameter of the plasma channels (m);
  • L is the characteristic length of the plasma channels
  • FIG. 1a shows an example of the distribution over time of the amplitudes of high-frequency electric current pulses as modulated.
  • Fig. lb. shows an example of the time distribution of the amplitudes of high frequency voltage pulses as modulated.
  • modulated distributions are determined by the character of the medium surrounding the plasmatron (s), mainly, the geometry of the plasmatron (s), in particular the electrodes, the flow rate of the feed gases of the plasmatron (s) (s), the turbulent nature of the feed gases of the plasmatron (s) and its (their) periphery and their organization in the plasmatron (s) and at its (their) outlet.
  • the duration of a modulated pulse is t1.
  • the length of time between modulated pulses is t2.
  • the values of t1 and t2 are conditioned above and in the method according to the invention of the present invention.
  • FIG. 2 The device for implementing the method as defined in the present invention is illustrated by FIG. 2.
  • the PIT - PTTI plasma is generated by one or more plasmatrons 1 installed in a reactor 2.
  • the quantity of plasmatrons used is determined by the size of the reaction zone. It is not always optimal to increase the size and power of a plasmatron to optimize the size of the reaction zone 3. It is often advantageous to use several plasmatrons, especially when it is necessary to limit the level. temperature in the reaction zone and to increase the flow rate of the gases participating in the reaction.
  • Each plasmatron is powered by one or more current sources, 5, with 5 'current and 5 "voltage sensors satisfying the conditions shown in Fig. 1.
  • Each plasmatron is provided with at least one electrode (in this case the PIT PTTM discharge is organized between the electrode and the earth).
  • the most recommended variant is that comprising two electrodes 4, as shown in FIG. 2. It is common to use 3, 4, 6, 8 and more electrodes, their number allowing to vary the distribution of the parameters of the plasma PIT PTTM in the reactor 2 of conical or cylindrical shape.
  • the functions of the power supply system (5) (formally illustrated in Fig. 2 with current measurement sensors) will have to be adapted in time and space. I (5 ') and the voltage V (5 ") of the electrodes of the plasmatrons, so as to optimize the distribution of the energy parameters of the plasma zone 3.
  • the electrodes emit plasma channels 6 which evolve chaotically in the reaction zone.
  • the degree of turbulence of the plasma and gas channels present in the reaction zone depends on the character of the gas flow in the reaction zone.
  • the degree of turbulence (Fig. 2.) is regulated by means of turbulence amplification. These can be hydrodynamic in nature (for example, prominences or sudden change of section in the gas access channels to the reactor, acute angles of change of direction of the gases entering the reactor) or other (for example sonic devices or vibration excitation infrasound in the gases entering the reactor or in the reactor itself.
  • One (s) pipe (s) 8 bring (s) into the reactor 2 the support gas (s) for the particles of material to be treated by means of a flow of support gas 9 which can be provided with a movement helical to optimize the mixing conditions with the particles of material to be treated.
  • the pipe 8 forms an angle ⁇ , measured by the sensor 19 ′, with the axis 18 of the reactor.
  • the duct 8 can be moved relative to the axis 18 so as to create a torque creating a swirling movement of the particles of material to be treated.
  • the angle a and the flow rates of the carrier gas and of the particles of material to be treated are adjustable, thanks to motion mechanisms 19 and flow regulators 20 so as to optimize the average trajectory 17 of the particles of material to be treated through the reaction zone.
  • These, after treatment in the reaction zone 3, are evacuated 15 through the duct (s) 14 and the control and filtration devices 16.
  • Valves 21 allow either to evacuate them or to reintroduce them into the supply system of the device via a piping system. 22 as shown in FIG. 2.
  • the device operates as follows:
  • the flow rates of particles of material to be treated and of carrier gas are adjustable thanks to the flow regulators 20. These parameters are controlled by angle sensors and flow regulators so that the equations given above in the process of the present invention are satisfied.
  • One or more plasma jets are formed by a system of plasmatrons 1 provided with electrodes 4 and supplied by a system 5 of current sources of the "inverter" type. Following the chaotic movement of the 6 plasma channels, coming from the electrodes 4, forms a reaction zone 3 characterized by a low temperature (in practice ⁇ 300 - 500 ° C) and a high degree of excitation of the particles and a high degree of turbulence which characterizes the PIT-PTTM plasma. Since the degree of turbulence in the reaction zone is important for the target plasmochemical process, a special excitation mechanism, for example sonic 7, or mechanical 7 ', and the corresponding device for controlling the state of turbulence, is provided.
  • the flow rate of particles of material to be treated mixed with the support gas, the angle a, variable, the parameters of the plasma mean that the trajectory of the particles of material to be treated is complex and forms in the reaction zone a loop, the shape and dimensions of which are subjected to the dynamic pressure forces of the incoming flow and the plasma as well as to the centrifugal forces acting on the particles as they pass through the reaction zone.
  • the dimensions of this loop are determined by the parameters as defined in the method of the present invention, as well as by the choice of the angle of incidence a measured and controlled by the device 19 '.
  • the device operates continuously.
  • the residual gas flow is extracted from the reactor through line 13 and filtration system 12 and is either discharged or redirected through valves 21 and line 22 to the support gas inlet line 9.
  • the treated particles 15 exit the reactor through line 14, and are evacuated to the outlet 16 of the reactor.
  • the device as illustrated by FIG. 2 is used, in particular, for the manufacture of roasted powders, as well as for the manufacture of syngas (CO + H2) from biomass.
  • FIG. 3 corresponds to the case where the claimed device is used with incompatible products, in particular chemically active products, introduced both in the form of support gas 9 and of particles of material to be treated 26.
  • the reactor 2, the walls of the plasmatron 1 require a protection, for example hydrodynamic, in the form of gas flow.
  • These protection fluxes are shown in the example of FIG. 3 in the form of a flow, coaxial with the axis 18, 23 and 24 and coaxial with the central flow 25 served in the plasmatron 1.
  • the most usual gases for this application of the present invention would be, for example:
  • N2 as neutral gas introduced through line 24 and carrying, optionally, the particles of material to be treated, according to the present invention, such as, for example pulverized droplets of hydrocarbons;
  • reaction zone 3 the trajectories of the particles of material to be treated 17 and the active parts of the plasma known as PU PTTM, in particular the plasma channels 6 are located, according to the diagram of the claimed device, outside the initial zones of the flow, i.e. in the mixing zone of the various streams mentioned (according to definitions and terminology given in the monograph by H. Schlichting, K. Gersten cited on page 9 of the present invention).
  • FIG. 4 Illustrates the device for implementing the present invention, in particular for the particular cases where:
  • C ' is the case, for example, of the introduction of a gas such as methane (CH4) in a neutral atmosphere such as nitrogen (N2).
  • a gas such as methane (CH4)
  • N2 nitrogen
  • the methane molecules decompose into C + H2.
  • the device is operated at atmospheric pressure or at a pressure greater than atmospheric pressure. This is the case with the application, cited above, of the preparation of gases for actuating a gas turbine 31, for example.
  • the reactor 2 is made in the form of a high pressure vessel, and all the conduits and electrical supply cables are introduced into the airlock 30 of the reactor 2 by means of gaskets 31 and hermetic dielectric insulators 3 .
  • the plasmatron 1 is inside the reactor 2.
  • the current source 5 and the elements ensuring the flow rates of the various components are outside the reactor 2 and the airlock 30.
  • the particles of material to be treated are introduced into the reactor with a carrier gas through line 23, are treated in reaction zone 3 and are fully treated there 17 ”.
  • the claimed device provides for operation under pressure as described in point a.
  • the particles of material to be treated are only partially treated 17 '"in the zone 3.
  • C This is the case, for example, with the production of chemicals and powders of plasmochemical origin.
  • This is also the case with the use of the claimed device for the preparation of gases actuating a gas turbine. in this case to inject an additional oxidizing gas jet 29 into the closest and most accessible part 28, making it possible to exploit, for combustion, the residual excitation of the carrier gas particles and of the surface of the particles In this way, the gases leaving the claimed reactor will be fully treated and will perform their work, for example, of propelling the fins of a gas turbine 31, with maximum efficiency and optimized efficiency.
  • the reactor 2 is designed so as to operate, in particular, at high pressure, a situation for which it is provided with a high pressure airlock 30 into which the gas conduits 22, 23, 24 are introduced by means of joints 31, electrical communications by means of hermetic insulating joints 31 ', the particles of material to be treated being injected through the duct (s) 23 with speeds such that they are completely transformed into gas in the zone reaction 17 ", or else, if any are created in the reaction zone 17 ', they are completely transformed into gas in this zone, or else, if the plasmochemical reaction is not complete 17'", being in a state of excitation following the activation undergone in the reaction zone 3 and thanks to the injection through the line 28 of an active gas at the outlet of the reactor 29, they are entirely transformed into gas in the line of outlet of the reactor 13,14, gases and products of the plasmochemical reactions i ssus of the reactor 2 opening directly onto the object to be actuated 32, for example the blades of a gas turbine 32
  • FIG. 5 illustrates the medical application of the present invention. In that case :
  • the feed gas supplying the plasmatron is preferably argon or nitrogen. It is possible to use air. It is introduced into the device through line 25.
  • the particles of material to be treated are introduced with their carrier gas (for example nitrogen) through the pipe 24.
  • a gas for hydrodynamic protection of the activation zone 3 is introduced through line 23.
  • the speeds of the gases introduced through lines 23, 24 and 25 are chosen such that their mixture, within the meaning described in the monograph ( see H. Schlichting, K. Gersten, Boundary Layer Theory. Springer - Verlag Berlin, Heidleberg 2017 DOI 10- 1007/978 - 3 - 612 - 52919 5_1), is carried out outside or at the limit of the activation zone of the treated tissues (as shown in Fig. 5. From this Thus, the domain 2 'limited by gas walls, in this case, formally represents the limits of the reactor as referred to in the present invention.
  • PIT PTTM 6 turbulized in domain 3 appearing as a cold gas of molecules (and radicals) strongly excited, comes into contact with the treated surface of the tissue and carries out treatments such as activation, sterilization, resuscitation of pseudo-necrotic cells, passivation (deposit of a thin, solid, neutral layer, preserving the treated area of the tissue from any action from the outside).
  • the present invention is used, in particular, for the transformation of biomass into torrefied fuel and into hydrogen, the destruction of organic waste, the stimulation of combustion in gas turbines, the performance of surgical assistance operations. , such as, for example, resuscitation of pseudo-necrotic cells, and passivation of scars.
  • PIT PTTM reactor for the production of roasted granules (pellets) following the transformation of biomass into roasted powders.
  • Carrier gas nitrogen (N2)
  • Reactor known as PIT PTTM for stimulating the activation of the intake gases in the combustion chamber of a gas turbine (tests in a pre-industrial environment).
  • the so-called PIT PTTM reactor is located at the inlet upstream of the combustion chamber of the turbine.
  • Device according to FIG. 5 for the treatment primarily and advantageously, the resuscitation of pseudo-necrotic cells which are the result of internal or external surgical interventions, and / or the passivation of the surfaces of organically treated surgically treated tissues, i.e. the deposition on the surfaces of tissues of a thin flexible layer (a few molecular layers) which protects the treated surface from any destructive action of the environment.
  • atmospheric parameters are such as the main parameters, the dimensions of the reactor, the mean amplitude of the current and the voltage at the electrodes, the diameter, the speed and the concentration of the particles of material to be treated, the durations of the electrical pulses and the activation energy of the particles of material to be treated, are linked in such a way that the particles of material to be treated carry out in the reactor trajectories in the form of loops with an angle of incidence in the reactor, a, variable, conditioned by the access and the reaction of the particles of the plasma to the surface of the particles of matter to be treated, the dissipation of the energy of the current pulses, the transfer of energy sufficient to carry out the reaction but limited by the condition of no heating of the plasma.
  • the invention is used for:

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Abstract

Dispositif et procédé de traitement plasmochimique de matière fractionnée dans un réacteur utilisant un générateur de jet turbulent de plasma en impulsions du type PIT fonctionnant à pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique dont les paramètres principaux, les dimensions du réacteur, l'amplitude moyenne du courant et de la tension aux électrodes, le diamètre, la vitesse et la concentration des particules de matière à traiter, les durées des impulsions électriques et l'énergie d'activation des particules de matière à traiter, sont liés de telle manière que les particules de matière à traiter effectuent dans le réacteur des trajectoires sous forme de boucles avec un angle d'incidence dans le réacteur, α, variable, conditionnées par l'accès et la réaction des particules du plasma à la surface des particules de matière à traiter, la dissipation de l'énergie des impulsions de courant, le transfert d'énergie suffisante pour la réalisation de la réaction mais limitée par la condition d'absence de réchauffement du plasma. L'invention est utilisée pour la transformation de la biomasse en combustible torréfié et en hydrogène, la destruction de déchets organiques, la stimulation de la combustion dans les turbines à gaz, la réalisation d'opérations d'assistance chirurgicale, telles que, par exemple, la réanimation des cellules pseudo-nécrotiques, et la passivation des cicatrices.

Description

Dispositif et procédé pour le traitement de matière fractionnée par plasma à températures intermédiaires.
[1] La présente invention consiste en un dispositif pour le traitement plasmochimique de matière fractionnée à pression voisine ou supérieure à la pression atmosphérique par flux de plasma non-isothermique et un procédé obtenu par ce dispositif.
[2] On connaît les méthodes de traitement plasmochimique dans des flux continus de plasma atmosphérique. Ces méthodes continuent d'être développées en laboratoires bien que déjà largement utilisées dans l'Industrie (voir « Applications industrielles des plasmas atmosphériques » Wikipedia). Dans la plupart des cas, le plasma exploité est un plasma généré par arc électrique dont la température varie entre 6000 et 12 000 degrés. Cette température engendre des phénomènes tels que décomposition, excitation moléculaire et atomique, ionisation de flux de gaz tels que l'argon, l'oxygène, l'azote, l'air, phénomènes qui permettent de transférer des quantités importantes d'énergie aux corps traités, notamment aux corps fractionnés tels que, par exemple les poudres. Vu les hautes températures du plasma, son contact avec ces corps soit les détruit thermiquement, soit en transforme les propriétés en surface, à condition que le traitement soit de courte durée. Des traitements de cette sorte ont été exploités avec succès dans l'Electronique, la Métallurgie, la Médecine, l'Alimentaire, l'Automobile, la Chimie, l'Aviation et d'autres domaines de l'Industrie, depuis plusieurs dizaines d'années (voir, par exemple : P.P.Kulik, Dynamical Plasma operating (DPO) of Solid Surfaces. Plasma jets in the Development of New Materials Technology. Proc. Of the International Workshop 3-9 september 1990, pp 639-653, Frunze, USSR. Ed. O.D. Solonenko and A.l. Fedorchenko, Utrecht, The Nederland).
[3] La technologie des plasmas est incontournable dans son but de réaliser des traitements à haute densité énergétique. C'est son but essentiel et elle y est inégalée. Cela lui permet de créer de nouvelles qualités telles que la soudure de métaux thermo-réfractaires, l'activation de surfaces augmentant l'adhésion au collage, le dépôt de films protecteurs sur les surfaces délicates, le décapage de couches fines, etc. (voir « Technologie des plasmas atmosphériques en industrie, 1980 - 2015 » Wikipédia).
[4] Cependant, ces traitements sont « énergophages » et de faible efficacité énergétique : trop d'énergie est dépensée, sans utilité, à la génération et réchauffement du plasma et des corps traités, et est dissipée de manière impardonnable dans l'environnement. Le rendement énergétique de ces technologies ne dépasse jamais les quelques dix - vingt pourcents. Un exemple flagrant est celui de l'utilisation de torches à plasma isothermique (8000K - 10000 K) pour faire brûler le charbon pulvérisé dans les chaudières de centrales électriques (voir Yantaï Longyuan Power Technology Co., LTD. Plasma Ignition and Combustion Stabilizing System. www.lypower.com/en/gscp.asp.), et c'est bien la raison pour laquelle, même si les sociétés productrices annoncent spéculativement des rendements énergétiques mirobolants, la technologie des plasmas pénètre l'Industrie avec beaucoup de peine, de heurts, et d'inconfiance, à part les domaines où les pertes d'énergie sont d'importance secondaire, comme le Militaire, le Médical.
[5] C'est pour compléter cette limitation énergétique des technologies de plasma atmosphérique existantes qu'a été inventée, en particulier, la technologie dite PIT - Plasma at Intermediary Températures (voir WO 2011/138525 Al, METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A NON-ISOTHERMAL PLASMA JET, Priority Date 05.05.2010 ; WO 2014/076-381, METHOD AND DEVICE FOR TREATING TWO-PHASE FRAGMENTED OR PULVERIZED MATERIAL BY NON-ISOTHERMAL REACTIVE PLASMA FLUX. Priority date :22.05.2014).
[6] Le rendement énergétique de la technologie PIT, dans certaines de ses applications industrielles confirmées, telle que la combustion assistée par plasma dans les chaudières des centrales électriques, est proche de 85% - 90%. Cela veut dire que 85% - 90% de l'énergie dépensée pour la génération du flux de plasma exploité, va à la stimulation plasmochimique de la combustion dans l'air, des particules, par exemple, de charbon, mises en contact avec le jet de plasma PIT. Il n'est donc plus nécessaire d'échauffer ou même de sécher (les radicaux libres excités, OH*, résultants de la présence de molécules d'eau dans le charbon, sont de grande utilité pour stimuler la combustion) ces particules, comme c'est la pratique aujourd'hui dans la plupart des chaudières de centrales électriques, pour les faire brûler. L'avantage est évident : grâce au procédé et à l'équipement PIT, contrairement à la pratique des centrales électrique les plus modernes, on peut démarrer la chaudière à partir de la température ambiante, la faire fonctionner à des charges intermédiaires allant jusqu'à 10%, par exemple, de la charge nominale de la centrale électrique, faire « brûler » n'importe quelle sorte de combustible allant de l'anthracite, en passant par toutes les variétés de houille et de lignite, jusqu'à la biomasse.
[7] Mais les inventions « PIT » mentionnées plus haut ont encore une lacune qui limite leur exploitation et que vient combler la présente invention. Cette lacune consiste en ce que, tels que décrits dans les inventions en question, le procédé et les dispositifs correspondants, non seulement, ne permettent pas d'optimiser les réactions plasmochimiques visées, mais même, en général, de les réaliser. En effet, c'est une chance que la combustion dans une chaudière de centrale électrique se passe entre le charbon apporté et les flux d'air (d'oxydant) qui déterminent non seulement la quantité de chaleur dégagée (la puissance) mais aussi toute l'organisation hydrodynamique de la zone de combustion, l'air étant une des composantes de la réaction plasmochimique. Dans cet exemple particulier, le gaz porteur du combustible est l'air, dont le flux détermine tout le procédé d'organisation du générateur PIT. Dans la plupart des réacteurs plasmochimiques, les composantes des réactions plasmochimiques diffèrent des gaz porteurs. Très souvent l'air, qui est un oxydant, est exclu. L'organisation du procédé est donc, dans ce cas, plus complexe et exige que soient observées des conditions supplémentaires qui ne sont pas décrites dans les inventions citées. Prenons l'exemple de la torréfaction ou la gazéification de la biomasse. De beaucoup de points de vue, Il est avantageux d'effectuer ces procédés dans un plasma PIT sans oxydant, donc sans air. En particulier, comparée à l'application classique de pyrolyse, l'utilisation du procédé PIT va permettre d'augmenter le rendement de production, la qualité du produit, tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre et les émanations nocives comme le NOx. Cela va donner de gros avantages par rapport à la technologie compétitive qui est la pyrolyse et va fortement simplifier l'équipement correspondant de production. L'invention WO 2011/138525 Al, décrit le générateur PIT à utiliser. L'invention WO 2014/076-381 décrit le réacteur PIT. Les conditions de réalisation du générateur PIT telles que décrites dans WO 2011/138525 Al et celles de réalisation du réacteur PIT telles que décrites dans WO 2014/076-381, sont évidemment nécessaires. Mais, néanmoins, si on se réfère uniquement à ces deux inventions, le procédé ne sera pas optimal, voire même non réalisable. En effet, il peut se faire que les paramètres du générateur PIT et du réacteur sont choisis de telle manière que le plasma est surchauffé car les caractéristiques des impulsions électriques ( en particulier, leur durée, l'intensité moyenne du courant électrique, la valeur moyenne de la tension entre les électrodes) ne sont pas optimales, ou bien encore que le procédé plasmochimique ne se réalise pas ou se réalise mal parce que, par exemple, le temps de contact des agents réactifs avec le flux de plasma n'est pas suffisant ou, au contraire, est excessif. Il peut se faire aussi que les particules générées dans le plasma PIT n'atteignent pas la surface à traiter vu l'épaisseur de la couche limite qui entoure la particule à traiter. De manière générale, les conditions décrites dans les inventions citées ne sont pas suffisantes, parfois même contradictoires à celles de la réalisation optimale du procédé plasmochimique visé.
[8] Vu ce qui précède, il est nécessaire de préciser le nom de la technologie PIT pour les visées dans la présente invention en complétant la dénomination PIT de Plasma Turbulent à Températures Moyennes, ce qui donne PTTM.
[9] Un des buts de la présente invention est d'introduire un procédé PIT- PTTM et le réacteur PIT-PTTM correspondant, capables d'optimiser le procédé plasmochimique visé, grâce à l'intensification du caractère turbulent du plasma PIT généré, d'en déterminer les propriétés intrinsèques et d'en décrire les conditions de réalisation et de fonctionnement, notamment dans le domaine du traitement de matières fractionnées, par exemple de poudres.
[10] Plus particulièrement, il est avantageux d'exploiter un procédé et un réacteur PIT pour une production plasmochimique industrielle continue, notamment pour la torréfaction et la gazéification de la biomasse, l'assistance à la combustion dans les turbines à gaz, la réalisation d'opérations chirurgicales accompagnées de régénération des tissus organiques.
[11] Il est également avantageux d'utiliser un procédé PIT et le réacteur correspondant pour des productions à pression proche de la pression atmosphérique ou supérieure à la pression atmosphérique.
[12] Il est d'autant plus avantageux d'exploiter un flux de plasma PIT de grandes dimensions et de puissance réduite en réalisant un procédé laminaire de génération de plasma PIT et, par la suite en le rendant turbulent de manière à optimiser les échanges énergétiques entre le flux de plasma et les composants plasmochimiques.
[13] Il est aussi avantageux de contrôler les paramètres du traitement de manière à assurer l'accès des particules activées et des électrons du plasma à la surface des particules de matière à traiter.
[14] L'avantage est d'autant plus important que les paramètres du procédé utilisé et des dispositifs correspondants permettent de minimiser les pertes d'énergie, en premier lieu les pertes thermiques.
[15] Il est extrêmement avantageux de contrôler la quantité d'énergie transférée aux particules de matière à traiter dans les impacts avec les particules activées du plasma, et d'assurer que cette quantité est inférieure à la quantité minimum d'énergie nécessaire pour le déroulement d'un procédé PIT efficace.
[16] Le principe du procédé proposé consiste en ce qui suit :
[17] Il est proposé d'utiliser, pour le traitement plasmochimique de matière fractionnée, particules, un procédé de génération d'un flux de plasma à températures intermédiaires, tel que décrit dans l'invention WO 2011/138525 Al, METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A NON-ISOTHERMAL PLASMA JET ; Priority Date 05.05.2010 ; fonctionnant dans un réacteur plasmochimique tel que décrit dans l'invention WO 2014/076-381, METHOD AND DEVICE FOR TREATING TWO-PHASE FRAGMENTED OR PULVERIZED MATERIAL BY NON-ISOTHERMAL REACTIVE PLASMA FLUX ; Priority date :22.05.2014. Les deux inventions mentionnées ne permettent cependant pas d'effectuer la plupart des traitement plasmochimiques car les paramètres des procédés et dispositifs mentionnés ne sont pas en concordance avec les caractéristiques des matières à traiter et les propriétés intrinsèques des procédés technologiques visés. Si on prend comme exemple le cas particulier de la torréfaction de particules de biomasse se déplaçant dans un flux de gaz de support et qu'on ne met pas en concordance la puissance de génération des impulsions de plasma avec le débit de la matière à traiter, ses propriétés, les caractéristiques géométriques du réacteur, les temps spécifiques de génération du plasma, le procédé de torréfaction n'aura pas lieu. Il n'est pas suffisant de générer pour ce faire, uniquement un plasma de molécules fortement excitées, dans un grand volume, de manière à augmenter le plus possible le contact du plasma avec les particules de matière à traiter. L'effet escompté ne se réalisera pas, si l'énergie d'impact des particules de plasma est inférieure au seuil énergétique de la réaction plasmochimique visée, qui est, dans l'exemple considéré, de l'ordre de 0,1 eV à 0,2 eV par impact.
[18] Il est également impératif, d'autre part, de minimiser l'énergie dépensée par le plasma. Si cette énergie n'est pas optimisée, non seulement le plasma généré sera trop « chaud », beaucoup d'énergie sera transformée en énergie thermique et dissipée au détriment du rendement du procédé, et aussi avec le danger de surchauffer les pièces du réacteur, voire les endommager et même les détruire.
[19] La réaction plasmochimique visée n'aura pas lieu si les particules actives du plasma et les électrons de haute énergie ne parviennent pas à traverser la couche limite entourant la particule de matière à traiter et accéder à la surface de cette particule.
[20] Il est aussi nécessaire de contrôler la dissipation par convection et radiation de l'énergie apportée par le plasma, dissipation qui a lieu principalement dans le laps de temps entre les impulsions de courant électrique.
[21] La présente invention consiste donc, tout d'abord, à organiser le procédé revendiqué de manière à satisfaire aux conditions annoncées.
[22] Des buts de l'invention sont réalisés grâce à la création d'un réacteur de flux de plasma PIT généré par une source d'impulsions contrôlées de courant électrique à haute tension et à pression voisine de la pression atmosphérique ou supérieure à la pression atmosphérique répondant aux conditions nécessaires plasmochimique, électrodynamique et énergétique, suivantes :
[23] 1. Condition plasmochimique.
[24] Les particules PIT (c'a d. les électrons et les particules excitées suite aux collisions inélastiques avec les électrons) doivent atteindre la surface des particules de matière traitée. Cela signifie que, dans le procédé d'écoulement du gaz porteur le long des particules de matière traitée, l'épaisseur de la couche limite d doit être substantiellement inférieure à la longueur moyenne de diffusion des électrons, Xe, c'à d.
[25] Xe » d
[26] Pour Xe, on a (voir, par exemple Smirnov B.M . Howard Reiss, Physics of lonized Gases 2008 John Wiley & sons inc. NY/ Chichester/ Weinham/ Brislne/ Singapore/ Toronto.)
[27] Xe = k. Tg. m*/P· Qen
[28] où
Qen est la section efficace moyenne de diffusion des électrons par rapport aux neutres (le milieu PIT est toujours un milieu faiblement ionisé, donc la densité des neutres est égale à la densité des particules du plasma P/kTg ;
Tg est la température de l'environnement ;
P est la pression ;
k est la constante de Boltzmann ;
m* est le rapport mn/me ;
mn est la masse des particules neutres, me est la masse des électrons.
[29] Pour d, on a (voir H.Schlichting, K. Gersten, Boundary Layer Theory. Springer - Verlag Berlin, Heidleberg 2017 DOI 10-1007/978 - 3 - 612 - 52919 5_1),
[30] d = 3,5D(Re)-0,5
[31] où
D est le diamètre caractéristique moyen des particules de matière à traiter ;
Re est le nombre de Reynolds, Re = vD/v ;
pour lequel
v est la vitesse des particules de matière à traiter ;
v est la viscosité cinématique.
[32] La condition plasmochimique est donc :
[33] 0,28. k. Tg .m*. P-l. Qen-l.D-0,5. v0,5.v-0,5 » 1 (1)
[34] 2. Condition de dissipation d'énergie.
[35] Les laps de temps entre les impulsions, t2, sont déterminés par les conditions de dissipation de l'énergie dégagée lors du passage du courant électrique dans le plasma. Cette dissipation dépend principalement des échanges convectifs et radiatifs entre le plasma et son environnement. En pratique, on a
[36] 0,5 < (t2/tl) <2 (2)
[37] 3. Conditions électrodynamiques.
[38] La décharge en impulsions PIT est caractérisée par le développement d'un canal de plasma formé par le gaz de support entraînant la décharge à l'extérieur des électrodes. Pour une valeur donnée du courant moyen d'une impulsion électrique, I, et de la tension moyenne entre les électrodes, V, la durée tl d'une impulsion de courant électrique doit être assez courte pour que la température du gaz dans le canal où s'effectue la décharge soit plus petite que la température Tp au-dessus de laquelle se développe un arc électrique. L'expérience montre, et les mesures spectroscopiques confirment, que pour les gaz traditionnels de support du procédé PIT (air, 02, N2, Ar, C02, CO, etc. et leurs mélanges), dans les conditions habituelles d'utilisation du procédé PIT, la température Tp varie dans les limites 2500 K < Tp < 3200 K.
[39] On a donc la condition électrodynamique pour la puissance moyenne du procédé :
[40] V.l « c. (Tp - Tg) d2. L. /tl, (3)
[41] où
c est la capacité thermique du gaz de support PIT (J/m3 K) ;
Tg est la température du gaz de support environnant le canal de la décharge PIT (K) ;
d est le diamètre moyen du canal de la décharge (m) ;
L est la longueur moyenne du canal de plasma PIT (m).
[42] 4. Condition énergétique :
[43] Selon cette condition, la puissance du plasma, V.l, ne doit pas surpasser l'énergie maximum nécessaire pour effectuer le procédé visé sur les particules à traiter :
[44] I.V«n.v.S.E.N.t.K (4)
[45] où
n est la densité numérique des particules de matière à traiter dans le flux de gaz porteur, (m-
3) ;
v est la vitesse du flux de gaz porteur et donc des particules de matière à traiter, (m/s) ;
S est la surface de la section du jet de plasma (= p D2/4 , D - diamètre du jet de plasma), (m2)
E est l'énergie maximum d'activation sur une particule de matière à traiter (J) ; t est le temps (s) de vol d'une particule de matière à traiter à travers le réacteur (t = L/v) ;
L est la longueur du jet de plasma considérée comme sensiblement égale à la longueur du réacteur (m) ;
K est un coefficient empirique sans dimension qui tient compte de la non-linéarité de trajet des particules de matière à traiter soumises aux impulsions hydrodynamiques du flux turbulent de plasma PIT et de la concurrence entre l'action hydrodynamique du flux de plasma et celle de la pression hydrodynamique du flux de particules de matière à traiter, dirigé à l'encontre du flux de plasma PIT. L'expérience montre que, en général, K ~10.
N est le nombre d'impacts d'activation des particules de matière à traiter par les électrons du plasma, par seconde (s-1).
[46] Pour N, on a
[47] N = S. ne.ve
[48] où
S est la surface de la particule de matière à traiter (m2), égale à p D2 (D - diamètre caractéristique de la particule de matière à traiter en m) ;
ne est la densité numérique des électrons dans le canal de plasma à la température Tp (voir J. Aubreton, C.Bonnefoi, J.M.Maxmain, Revue de Physique appliquée 1986 21(6) pp365 - 376, Calcul des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport dans un plasma en non-équilibre thermodynamique à la pression atmosphérique) ;
ve est la vitesse moyenne des électrons du plasma (m/s).
[49] On a ve = (kTe/me)0,5
[50] où
Te est la température des électrons du plasma PIT à proximité des particules de matière à traiter (K) ;
k est la constante de Boltzmann (J/K) ;
me est la masse des électrons (kg).
[51] En réunissant ensemble les conditions (3) et (4), on obtient la condition
[52] n.v.S.E.N.K.t « V.l « c. (Tp - Tg). L. d2/tl (5)
[53] Les équations (1), (2) et (5) déterminent les conditions, pour les paramètres de construction du plasma PIT et du réacteur, dans lesquelles la présente invention est applicable pour le traitement plasmochimique visé de particules dans un réacteur PIT.
[54] On voit que les équations (1), (2) et (5) relient entre eux les paramètres de la construction du dispositif, t, L, L, S, d, K, les paramètres du procédé, Tg, Tp, Te, P, v, I, V, tl, t2, les paramètres des particules de matériau à traiter, D, S, E, et les propriétés des matériaux utilisés, c, mn, Qen, v.
[55] Pour résoudre ces problèmes techniques, le procédé de traitement plasmochimique de matière fractionnée dans un réacteur plasmochimique utilisant un générateur de plasma en impulsions du type dit PIT-PTTM selon l'invention se caractérise en ce que le caractère turbulent du plasma PIT est renforcé, que la puissance moyenne de génération du flux de plasma dit PIT, égale au produit de l'amplitude moyenne de la tension appliquée aux électrodes, V, par l'intensité moyenne du courant, I, dans une impulsion, est soumise aux conditions plasmochimique, dissipative, électrodynamique et énergétique suivantes :
[56] 0,28. k. Tg .m*. P-l. Qen-l.D-0,5. v0,5.v-0,5 » 1
[57] 0,5 < (t2/tl) <2
[58] n.v.S.E.N.K.t « V.l « c .(Tp - Tg) . L . d2/tl
[59] où
k est la constante de Boltzmann ; Tg est la température du gaz de support environnant le canal de la décharge PIT (K) ;
m* est le rapport mn/me ;
mn et la masse des particules neutres ;
me est la masse des électrons ;
P est la pression ;
Qen est la section efficace moyenne de diffusion des électrons du plasma parmi les particules du gaz de la zone de réaction;
D est le diamètre caractéristique moyen des particules de matière à traiter
v est la vitesse des particules de matière à traiter ;
v est la viscosité cinématique du milieu dans lequel se déplacent les particules de matière à traiter ;
tl est la durée d'une impulsion électrique ;
t2 est le laps de temps entre les impulsions électriques ;
n est la concentration des particules de matière traitée (m-3) ;
v est la vitesse moyenne de passage des particules de matière traitée à travers le réacteur PIT(m/s) ;
S est la surface du jet de plasma PIT à l'intérieur de réacteur (m2) ;
E est l'énergie d'activation transférée aux particules de matière traitée par les particules (molécules, les radicaux libres, les atomes) excitées dans le jet de plasma PIT ou par les électrons du jet de plasma PIT et qui atteignent la surface de la particule de matière traitée (J)
N est le nombre d'impacts d'activation par seconde sur une particule de matière traitée (s-1) ; K est le facteur d'activation (d'après l'expérience, 10 <K < 50 suivant la géométrie du réacteur) t est le temps de vol (~ L/v) d'une particule de matière traitée à travers le réacteur (s) ;
L est la longueur caractéristique du réacteur, (m) ;
c est la chaleur spécifique du gaz porteur de particules de matière traitée, traversant le réacteur PIT (J/K/m3) ;
Tp est la température caractéristique des particules lourdes (molécules, radicaux, atomes) du plasma PIT (K) ;
Tg est la température caractéristique du gaz entourant les canaux de plasma PIT (K), dans la zone de réaction ;
d est le diamètre moyen des canaux de plasma (m) ;
L est la longueur caractéristique des canaux de plasma.
[60] La présente invention se rapporte également à un dispositif dans le quel la réaction plasmochimique visée est réalisée suite à l'action d'un ou plusieurs plasmatrons dit PIT 1 contenant une ou plusieurs électrodes formant des canaux de plasma de longueur L et de diamètre d, montés dans un réacteur pourvu d'un (de) conduit(s) introduisant les particules de matière à traiter, entraînées par un gaz de support sous forme de flux incliné par rapport à l'axe du réacteur sous un angle a, la construction du dispositif prévoyant un conduit d'évacuation des particules de matière à traiter après leur traitement, et un conduit d'évacuation des gaz résiduels avec filtre, système de récupération et valves, la construction étant réalisée de manière que le flux de particules de matière à traiter effectue dans la zone de réaction une trajectoire en forme de boucle dont les dimensions sont déterminées par le choix de la longueur L du réacteur, de la surface S de la section du(des) plasmatron(s), de l'angle a, des vitesses du gaz de support et des particules de matière à traiter, v, de la vitesse des flux de gaz issus du(des) plasmatron(s) (de manière générale ~ v). [61] D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortent des dessins, schémas et illustrations annexés à la présente invention, dans lesquels :
• Les Fig. la et lb illustrent le schéma des impulsions électriques du générateur selon l'invention, en particulier, la Fig. la montre un exemple selon l'invention de distribution dans le temps des amplitudes des impulsions de courant électrique à haute fréquence telles que modulées, et la Fig. lb. montre un exemple de
distribution dans le temps des amplitudes des impulsions à haute fréquence de tension telles que modulées.
• La Fig.2 montre le schéma de construction d'un réacteur plasmochimique permettant la mise en oeuvre du procédé revendiqué dans la présente invention.
• La Fig.3 montre un cas particulier du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini dans la présente invention.
• La Fig.4 illustre la construction du réacteur conçu de manière à fonctionner, notamment, à haute pression.
• La Fig. 5 illustre l'application médicale de la présente invention.
Le principe du procédé proposé réside en ce qui suit :
Il est proposé d'utiliser pour le traitement plasmochimique de matière fractionnée, particules, un procédé de génération d'un flux de plasma à températures intermédiaires selon les références faites plus haut. Les deux inventions mentionnées ne permettent pas d'effectuer la plupart des traitement plasmochimiques car les paramètres des procédés et dispositifs mentionnés ne sont pas en concordance avec les caractéristiques des matières à traiter et les propriétés intrinsèques des procédés technologiques visés. En effet, par exemple, dans le cas de la torréfaction de biomasse, il est impensable d'effectuer la torréfaction de particules de biomasse se déplaçant dans un flux de gaz de support sans mettre en concordance les effets d'intensification du caractère turbulent du plasma, la puissance de génération des impulsions de plasma avec le débit de la matière à traiter, ses propriétés, les caractéristiques géométriques du réacteur, les temps spécifiques de génération du plasma. Il n'est pas suffisant de générer pour ce faire, uniquement un plasma de molécules fortement excitées, dans un grand volume, de manière à augmenter le plus possible le contact du plasma avec les particules de matière à traiter. L'effet escompté ne se réalisera pas, si l'énergie d'impact des particules de plasma est inférieure au seuil énergétique de la réaction plasmochimique visée, qui est, dans l'exemple considéré, de l'ordre de 0,1 eV à 0,2 eV par impact.
[64] Il est également impératif, d'autre part, de minimiser l'énergie dépensée par le plasma. Si cette énergie n'est pas optimisée, non seulement le plasma généré sera trop « chaud », beaucoup d'énergie sera transformée en énergie thermique et dissipée au détriment du rendement du procédé, et aussi avec le danger de surchauffer les pièces du réacteur, voire les endommager et même les détruire.
[65] Il est aussi nécessaire de contrôler la dissipation par convection et radiation de l'énergie apportée par le plasma, dissipation qui a lieu principalement dans le laps de temps entre les impulsions de courant électrique.
[66] La présente invention consiste donc, tout d'abord, à organiser le procédé revendiqué de la manière suivante.
[67] Le plasma dit PIT-PTTM est généré par un ou plusieurs générateurs PIT tel que décrit dans l'invention WO 2011/138525 Al, METHOD AND DEVICE FOR GENERATING A NON-ISOTHERMAL PLASMA JET, Priority Date 05.05.2010 qui créent un jet de plasma non- thermique dans un réacteur dit PIT, tel que décrit dans l'invention WO 2014/076-381, METHOD AND DEVICE FOR TREATING TWO-PHASE FRAGMENTED OR PULVERIZED MATERIAL BY NON-ISOTHERMAL REACTIVE PLASMA FLUX. Priority date :22.05.2014.
[68] Le jet de plasma dit PIT-PTTM utilisé dans la présente invention est alimenté par un générateur d'impulsions de courant électrique. Le caractère des impulsions et leurs paramètres sont montrés sur la Fig. 1. En particulier, la durée d'une impulsion tl doit être telle que la température du canal de plasma ne dépasse pas la valeur Tp. En pratique, Tp ~2000 - 3500 K. La durée du laps de temps entre les impulsions, t2, doit être telle que l'énergie thermique accumulée dans le canal de plasma soit dissipée par convection et radiation dans la zone environnante.
[69] Un jet de particules de matière à traiter de débit G = m.n.vp.S , soutenu par un flux de gaz porteur, est introduit dans le réacteur sous un angle a, réglable, entre l'axe du tube d'alimentation en particules de matière à traiter et l'axe du réacteur, dans le jet de plasma, principalement à l'encontre du flux turbulent de plasma dit PIT. La valeur de la vitesse du flux de particules, vp, est proche de la vitesse moyenne du flux de plasma v et la section S du tube d'entrée des particules de matière à traiter est proche de la section du jet de plasma. Sous l'action des forces centrifuges, de la pression dynamique venant du jet de particules de matière à traiter, d'une part, et, d'autre part, de la pression dynamique exercée par le jet de plasma, les particules de matière à traiter sont freinées, la projection axiale de leur vitesse relative par rapport au réacteur passe par zéro et leur trajectoire effectue une boucle. La largeur de cette boucle dépend de l'angle a et des valeurs des vitesses vp et v. La dimension de la boucle est d'autant plus grande que la dimension des particules à traiter est grande. Cela permet de varier automatiquement le temps de contact des particules de matière à traiter avec le jet de plasma PIT, et donc de contrôler le procédé. On contrôle également le procédé en variant l'angle a, le débit G, et les paramètres des impulsions de courant électrique. Les particules de matière à traiter qui n'ont pas été suffisamment traitées, parce que passant à la périphérie du jet de plasma, sont projetées sur la paroi du réacteur et, sous l'action de la pesanteur, tombent dans un réceptacle et sont renvoyées au distributeur de particules de matière à traiter. Ce contrôle mentionné permet d'assurer que l'énergie du plasma est bien transférée aux particules de matière à traiter à travers la couche limite entourant les particules de matière à traiter, selon la condition plasmochimique, que l'énergie minimum de réaction est bien transférée aux particules de matière à traiter, selon l'équation 2, que l'énergie générée dans les canaux de plasma est assez petite pour que la température du plasma reste inférieure à Tp , selon l'équation 3 et que l'énergie du plasma soit correctement évacuée dans la zone environnante dans les laps de temps t2 entre les impulsions de courant électrique, selon l'équation 4, et, éventuellement de rendre le flux de plasma turbulent, avec une échelle de turbulence contrôlée et par la vitesse voulue des réactions, mesurée, par exemple, par le débit des particules de matière traitée sortant du réacteur.
[70] Dans un cas particulier, il est prévu d'organiser des zones de gaz coaxiales de vitesses et de compositions variées autour du jet de plasma de manière à contrôler le caractère laminaire/turbulent du plasma et de gérer les flux de gaz qui pourraient perturber le procédé ou, contrairement, à imposer un régime d'écoulement nécessaire au procédé visé.
[71] Dans un autre cas particulier, quand des composants solides se forment dans le flux de gaz suite au contact avec le plasma, il est prévu de détourner ces composants en organisant un flux de gaz coaxial de manière à ce que les composants solides n'altèrent pas le procédé visé. En d'autres termes, dans le cas où, le long de leur parcours à travers le réacteur, sont générées des particules solides, il est utile d'organiser des flux coaxiaux de gaz de protection et de contrôle de l'état de ces particules dont la variation des débits permet de gérer le comportement de ces particules (par exemple, leur dépôt non voulu) d'une part, et, d'autre part d'en assurer le traitement total (leur disparition suite à une réaction de combustion ou d'attaque chimique)ou partiel, si ces particules sont utiles pour les buts de l'invention
[72] En fait d'exemple, on peut citer le cas où l'un des gaz périphériques est le méthane. Au contact du plasma, le méthane se décompose en hydrogène H2 et en carbone C. Ce dernier, à relativement basse température, forme des particules solides de suie qui nuisent au procédé et peuvent se déposer sur les éléments de construction et créer des obstructions aux différents flux de gaz. Il faut donc les éliminer en organisant des rideaux hydrodynamiques dont les fonctions sont de séparer les particules solides des éléments de construction tout en conservant, et même renforçant les effets de turbulence qui concourent à accélérer les réactions plasmochimiques, tout en organisant les réactions favorisant la destruction des particules formées, par exemple, dans le cas de particules de suie, en les oxydant dans un flux d'air ou d'oxygène, séparément des éléments de construction du dispositif.
[73] La présente invention revendique un dispositif dont le mode d'alimentation est illustré sur les Fig.l a et lb. L'alimentation électrique du (des) plasmatron(s) PIT est assurée par un générateur d'impulsions, par exemple du type « inverter ». Le courant électrique est généré par impulsions à haute fréquence. Celles -ci sont modulées en impulsions de courant dont la valeur moyenne de l'amplitude de courant I, et la valeur moyenne de l'amplitude de tension V, satisfont aux conditions émises plus haut, ainsi que dans le procédé selon l'invention, typiquement un procédé de traitement plasmochimique de matière fractionnée dans un réacteur plasmochimique utilisant un générateur de plasma en impulsions du type dit PIT-PTTM caractérisé en ce que le caractère turbulent du plasma dit PIT est renforcé, que la puissance moyenne de génération du flux de plasma PIT, égale au produit de l'amplitude moyenne de la tension appliquée aux électrodes, V, par l'intensité moyenne du courant, I, dans une impulsion, est soumise aux conditions plasmochimique, dissipative, électrodynamique et énergétique suivantes :
0,28. k. Tg .m*. P-l. Qen-l.D-0,5. v0,5.v-0,5 » 1
0,5 < (t2/tl) <2
n.v.S.E.N.K.t « V.l « c .(Tp - Tg) . L . d2/tl
où
k est la constante de Boltzmann ;
Tg est la température du gaz de support environnant le canal de la décharge PIT (K) ; m* est le rapport mn/me ;
mn est la masse des particules neutres ;
me est la masse des électrons ;
P est la pression ;
Qen est la section efficace moyenne de diffusion des électrons du plasma parmi les particules du gaz de la zone de réaction;
D est le diamètre caractéristique moyen des particules de matière à traiter ;
v est la vitesse des particules de matière à traiter ;
v est la viscosité cinématique du milieu dans lequel se déplacent les particules de matière à traiter ;
tl est la durée d'une impulsion électrique ;
t2 est le laps de temps entre les impulsions électriques ;
n est la concentration des particules de matière traitée (m-3) ;
v est la vitesse moyenne de passage des particules de matière traitée à travers le réacteur PIT(m/s) ;
S est la surface du jet de plasma PIT à l'intérieur de réacteur (m2) ;
E est l'énergie d'activation transférée aux particules de matière traitée par les particules (molécules, les radicaux libres, les atomes) excitées dans le jet de plasma PIT ou par les électrons du jet de plasma PIT et qui atteignent la surface de la particule de matière traitée (J) ;
N est le nombre d'impacts d'activation par seconde sur une particule de matière traitée (s 1) ;
K est le facteur d'activation (d'après l'expérience, 10 <K < 50 suivant la géométrie du réacteur) ;
t est le temps de vol (~ L/v) d'une particule de matière traitée à travers le réacteur (s) ;
L est la longueur caractéristique du réacteur (m) ; c est la chaleur spécifique du gaz porteur de particules de matière traitée, traversant le réacteur dit PIT (J/K/m3) ;
Tp est la température caractéristique des particules lourdes (molécules, radicaux, atomes) du plasma dit PIT (K) ;
Tg est la température caractéristique du gaz entourant les canaux de plasma PIT (K), dans la zone de réaction ;
d est le diamètre moyen des canaux de plasma (m) ;
L est la longueur caractéristique des canaux de plasma ;
[74] notamment La Fig. la montre un exemple de distribution dans le temps des amplitudes des impulsions de courant électrique à haute fréquence telles que modulées. La Fig. lb. montre un exemple de distribution dans le temps des amplitudes des impulsions à haute fréquence de tension telles que modulées. Ces distributions modulées sont déterminées par le caractère du milieu entourant le(s) plasmatron(s), principalement, la géométrie du (des) plasmatron(s), en particulier des électrodes, le débit des gaz d'alimentation du (des) plasmatron(s), du caractère turbulent des gaz d'alimentation du (des) plasmatron(s) et de sa (leur) périphérie et de leur organisation dans le (les) plasmatron(s) et à sa (leur) sortie. La durée d'une impulsion modulée est tl. La durée du laps de temps entre les impulsions modulées est t2. Les valeurs de tl et t2 sont conditionnées plus haut et dans le procédé selon l'invention de la présente invention.
[75] Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini dans la présente invention est illustré par la Fig. 2.
[76] Comme le montre la Fig. 2, le plasma PIT - PTTI est généré par un ou plusieurs plasmatrons 1 installés dans un réacteur 2. La quantité de plasmatrons utilisés est déterminée par la dimension de la zone de réaction. Il n'est pas toujours optimal d'augmenter les dimensions et la puissance d'un plasmatron pour optimiser la dimension de la zone de réaction 3. Il est souvent avantageux d'utiliser plusieurs plasmatrons, notamment lorsqu'il est nécessaire de limiter le niveau de température dans la zone de réaction et d'augmenter le débit des gaz participant à la réaction.
[77] Chaque plasmatron est alimenté par une ou plusieurs sources de courant, 5, avec capteurs de courant 5' et de tension 5" satisfaisant aux conditions montrées sur la Fig. 1.
[78] Le débit (la vitesse) du gaz de formation du plasma est mesuré par le capteur l'.
[79] Chaque plasmatron est doté au minimum d'une électrode (dans ce cas la décharge PIT PTTM est organisée entre l'électrode et la terre). La variante la plus recommandée est celle comprenant deux électrodes 4, comme représenté sur la Fig. 2. Il est commun d'utiliser 3, 4, 6, 8 et plus d'électrodes, leur nombre permettant de varier la distribution des paramètres du plasma PIT PTTM dans le réacteur 2 de forme conique ou cylindrique. Il y aura lieu d'adapter dans le temps et l'espace les fonctions du système d'alimentation (5) (illustré formellement sur la Fig.2 avec capteurs de mesure du courant I (5') et de la tension V (5") des électrodes des plasmatrons, de manière à optimiser la distribution des paramètres énergétiques de la zone de plasma 3.
[80] Les électrodes émettent des canaux de plasma 6 qui évoluent de manière chaotique dans la zone de réaction. Le degré de turbulence des canaux de plasma et des gaz présents dans la zone de réaction dépend du caractère de l 'écoulement des gaz dans la zone de réaction. Le degré de turbulence (Fig. 2.) est réglé par des moyens d'amplification de la turbulence. Ceux-ci peuvent être de caractère hydrodynamique (par exemple, proéminences ou changement brusque de section dans les canaux d'accès des gaz au réacteur, angles aigus de changement de direction des gaz entrant dans le réacteur) ou autre (par exemple dispositifs soniques ou infrason d'excitation de vibrations dans les gaz accédant au réacteur ou dans le réacteur même.
[81] Un(les) conduit(s) 8 amène(nt) dans le réacteur 2 le (les) gaz de support des particules de matière à traiter grâce à un débit de gaz de support 9 qui peut être doté d'un mouvement hélicoïdal pour optimiser les conditions de mélange avec les particules de matière à traiter. Le conduit 8 fait un angle a, mesuré par le capteur 19', avec l'axe 18 du réacteur. Le conduit 8 peut être déplacé par rapport à l'axe 18 de manière à créer un couple créant un mouvement de tourbillonnement des particules de matière à traiter. Celles-ci sont introduites en amont du réacteur 2 par l'intermédiaire d'un conduit 10 et d'un doseur 11 (par exemple une vis sans fin). L'angle a et les débits de gaz de support et de particules de matière à traiter sont réglables, grâce à des mécanismes de motion 19 et des régulateurs de débit 20 de manière à optimiser la trajectoire moyenne 17 des particules de matière à traiter à travers la zone de réaction. Celles-ci, après traitement dans la zone de réaction 3 sont évacuées 15 par le (les) conduit(s) 14 et les dispositifs de contrôle et filtration 16.
[82] Les gaz résiduels sont évacués par le(les) conduit(s) 12 et les dispositifs de filtration 13. Des valves 21 permettent soit de les évacuer soit de les réintroduire dans le système d'alimentation du dispositif par un système de tuyauteries 22 tel que montré sur la Fig. 2.
[83] Le dispositif fonctionne de la manière suivante :
[84] Les particules de matière à traiter, dosées par le système 11, pénètrent par le conduit 10 dans le réacteur 2, se mélangent au flux de gaz de support 9 apporté à l'aide d'un conduit 8 sous un angle a par rapport à l'axe 18 du réacteur 2. L'angle a d'entrée du flux de particules de matière à traiter, mélangé au gaz de support, est variable grâce au mécanisme de motion 19. Il est mesuré à l'aide d'un dispositif 19'. Les débits de particules de matière à traiter et de gaz de support sont réglables grâce aux régulateurs de débit 20. Ces paramètres sont contrôlés par des capteurs d'angle et les régulateurs de débit de manière que les équations données ci-dessus dans le procédé de la présente invention soient satisfaites.
[85] Un ou plusieurs jets de plasma sont formés par un système de plasmatrons 1 pourvu d'électrodes 4 et alimenté par un système 5 de sources de courant du type « inverter ». Suite au mouvement chaotique des canaux 6 de plasma, issus des électrodes 4, se forme une zone de réaction 3 caractérisée par une basse température (en pratique ~300 - 500 °C) et un haut degré d'excitation des particules et un haut degré de turbulence qui caractérise le plasma PIT- PTTM. Le degré de turbulence dans la zone de réaction étant important pour le procédé plasmochimique visé, un mécanisme spécial d'excitation, par exemple sonique 7, ou mécanique 7', et le dispositif correspondant de contrôle de l'état de turbulence, est prévu. Le débit de particules de matière à traiter mélangées au gaz de support, l'angle a, variable, les paramètres du plasma ( courant moyen dans une impulsion, I, tension moyennes V, ) font que la trajectoire des particules de matière à traiter est complexe et forme dans la zone de réaction une boucle dont la forme et les dimensions sont soumises aux forces de pression dynamique du flux entrant et du plasma ainsi qu'aux forces centrifuges agissant sur les particules lors de leur passage dans la zone de réaction. Les dimensions de cette boucle sont déterminées par les paramètres tels que définis dans le procédé de la présente invention, ainsi que par le choix de l'angle d'incidence a mesuré et contrôlé par le dispositif 19'. Le dispositif fonctionne de manière continue. Le flux de gaz résiduels est extrait du réacteur par le conduit 13 et le système de filtration 12 et est soit évacué, soit redirigé à travers les valves 21 et le conduit 22 vers le conduit d'entrée du gaz de support 9. Les particules traitées 15 sortent du réacteur par le conduit 14, et sont évacuées vers la sortie 16 du réacteur.
[86] Le dispositif tel qu'illustré par la Fig. 2 est utilisé, en particulier, pour la fabrication de poudres torréfiées, ainsi que pour la fabrication de syngaz (CO + H2) à partir de biomasse.
[87] La Fig. 3 correspond au cas où le dispositif revendiqué est utilisé avec des produits incompatibles, en particulier chimiquement actifs, introduits aussi bien sous forme de gaz de support 9 que de particules de matière à traiter 26. Le réacteur 2, les parois du plasmatron 1 nécessitent une protection, par exemple hydrodynamique, sous forme de flux de gaz. Ces flux de protection sont montrés sur l'exemple de la Fig. 3 sous forme de flux, coaxiaux à l'axe 18, 23 et 24 et coaxiaux au flux central 25 desservi dans le plasmatron 1. Les gaz les plus habituels pour cette application de la présente invention seraient, par exemple :
[88] N2 en tant que gaz de support 9 ;
[89] Ar, He, en tant que gaz d'alimentation du plasmatron 1 ;
[90] N2, en tant que gaz neutre introduit par le conduit 24 et portant, éventuellement, les particules de matière à traiter, selon la présente invention, telles que, par exemple des gouttelettes pulvérisées d'hydrocarbures ;
[91] Air, 02, H2, vapeurs haloïdes, gaz chargés de vapeurs d'éléments organiques, en tant que gaz actifs et éventuellement de particules de matière à traiter, le tout introduits par le/les conduit(s) 23.
[92] Les différents gaz introduits se comportent séparément tant qu'ils n'ont pas atteint la zone où ils se mélangent par l'intermédiaire de couches limites formellement représentées par les traits (27). Leur présence dans la zone de réaction dépend des paramètres hydrodynamiques des flux mentionnés. [93] Des mesures de protection mécaniques, comme, par exemple, le déflecteur 28 sont également nécessaires pour séparer les produits évacués 14 du réacteur, des flux de gaz entrants.
[94] La zone de réaction 3, les trajectoires des particules de matière à traiter 17 et les parties actives du plasma dit PU PTTM, notamment les canaux de plasma 6 se trouvent, selon le schéma du dispositif revendiqué, en dehors des zones initiales des flux, c'à d. dans la zone de mélange des différents flux mentionnés (selon définitions et terminologie données dans la monographie de H.Schlichting, K. Gersten citée en page 9 de la présente invention).
[95] La Fig. 4. Illustre le dispositif de mise en œuvre de la présente invention, notamment pour les cas particuliers où :
a. Les particules de matière à traiter 17' se forment à l'intérieur de la zone de réaction 3 et doivent être traitées en entier dans la zone de réaction 3, c'à d. dans la zone de mélange 27 (au sens des définitions et terminologie données dans la monographie de H.Schlichting, K. Gersten citée en page 9 de la présente invention) des jets issus des conduits d'entrée 23, 24, 25. C'est le cas, par exemple de l'introduction d'un gaz tel que le méthane (CH4) dans une atmosphère neutre telle que l'azote (N2). Sous l'influence des particules activées dans la zone de réaction 3 par le plasma PIT 6, les molécules de méthane se décomposent en C + H2. Les atomes de carbone, comme le montre l'expérience, se groupent en particules de suie. Ce n'est qu'au contact d'un gaz oxydant (air ou 02) qu'elles brûleront, créant des molécules de CO ou de C02 qui seront évacuées par le conduit 13, 14.
Pour assurer une combustion plus complète des particules de suie, il y a lieu d'injecter un jet de gaz oxydant supplémentaire 29 dans la partie la plus proche et la plus accessible 28, permettant d'exploiter, pour la combustion, l'excitation résiduelle des particules de gaz de support et de la surface des particules de suie. De cette manière, les gaz sortant du réacteur revendiqué seront entièrement traités et viendront effectuer leur travail, par exemple, de propulsion des ailettes- d'une turbine à gaz 31, avec une efficacité et un rendement qui sont optimisés.
Le fonctionnement du dispositif s'effectue à pression atmosphérique ou à pression supérieure à la pression atmosphérique. C'est le cas de l'application, citée plus haut, de la préparation des gaz pour l'actionnement d'une turbine à gaz 31, par exemple. Dans ce cas, le réacteur 2 est réalisé sous forme de récipient à haute pression, et tous les conduits et câbles électriques d'alimentation sont introduits dans le sas 30 du réacteur 2 par l'intermédiaire de joints 31 et d'isolants diélectriques hermétiques 3 . Le plasmatron 1 est à l'intérieur du réacteur 2. La source de courant 5 et les éléments assurant les débits des différents composants sont à l'extérieur du réacteur 2 et du sas 30.
b. Les particules de matière à traiter sont introduites dans le réacteur avec un gaz de support par le conduit 23, sont traitées dans la zone de réaction 3 et y sont entièrement traitées 17”. C'est le cas de l'utilisation de combustibles en poudre (charbons) et de matières liquides pulvérisées (hydrocarbures) avantageusement transformés en gaz dans le dispositif revendiqué avant d'être utilisés, par exemple envoyés vers les aubages d'une turbine à gaz. Dans ce dernier cas le dispositif revendiqué prévoit un fonctionnement sous pression comme décrit au point a.
c. Les particules de matière à traiter, qu'elles se forment à l'intérieur de la zone de réaction 3 ou qu'elles soient injectées dans le réacteur par le conduit 23, ne sont traitées que partiellement 17'" dans la zone 3. C'est le cas, par exemple, de la production de matières chimiques et de poudres d'origine plasmochimique. C'est aussi le cas de l'utilisation du dispositif revendiqué pour la préparation des gaz actionnant une turbine à gaz. Il y a lieu dans ce cas d'injecter un jet de gaz oxydant supplémentaire 29 dans la partie la plus proche et la plus accessible 28, permettant d'exploiter, pour la combustion, l'excitation résiduelle des particules de gaz de support et de la surface des particules de suie. De cette manière, les gaz sortant du réacteur revendiqué seront entièrement traités et viendront effectuer leur travail, par exemple, de propulsion des ailettes d'une turbine à gaz 31, avec une efficacité maximum et un rendement optimisé.
[96] En résumé, dans le cas de la Fig. 4 , le réacteur 2 est conçu de manière à fonctionner, notamment, à haute pression, situation pour laquelle il est pourvu d'un sas à haute pression 30 dans lequel les conduits de gaz 22, 23, 24 sont introduits par l'intermédiaire de joints 31, les communications électriques par l'intermédiaire de joints isolants hermétiques 31', les particules de matière à traiter étant injectées par le(les) conduit(s) 23 avec des vitesses telles qu'elles sont entièrement transformées en gaz dans la zone de réaction 17", ou bien, s'il s'en crée dans la zone de réaction 17', elles sont complètement transformées en gaz dans cette zone, ou bien encore, si la réaction plasmochimique n'est pas complète 17'", étant en état d'excitation suite à l'activation subie dans la zone de réaction 3 et grâce à l'injection par le conduit 28 d'un gaz actif à la sortie du réacteur 29, elles sont entièrement transformées en gaz dans le conduit de sortie du réacteur 13,14 , les gaz et produits des réactions plasmochimiques issus du réacteur 2 débouchant directement sur l'objet à actionner 32, par exemple les aubages d'une turbine à gaz 32.
[97] L'expérience a montré que le dispositif revendiqué, dans les conditions de procédé décrites de la présente invention, notamment l'excitation plasmochimique, peuvent être exploitées à des pressions allant jusqu'à 30 bars et plus.
[98] La Fig. 5 illustre l'application médicale de la présente invention. Dans ce cas :
[99] L'angle a = 180°
[100] Le gaz d'apport alimentant le plasmatron est, de préférence l'argon ou l'azote. Il est possible d'utiliser de l'air. Il est introduit dans le dispositif par le conduit 25.
[101] Les particules de matière à traiter, sous forme solide ou, avantageusement, liquide (par exemple poudres ou gouttelettes pulvérisées de matière organo-métallique), sont introduites avec leur gaz de support (par exemple de l'azote) par le conduit 24. Un gaz de protection hydrodynamique de la zone d'activation 3 est introduit par le conduit 23. Les vitesses des gaz introduits par les conduits 23, 24 et 25 sont choisies de telle manière que leur mélange, au sens décrit dans la monographie (voir H.Schlichting, K. Gersten, Boundary Layer Theory. Springer - Verlag Berlin, Heidleberg 2017 DOI 10- 1007/978 - 3 - 612 - 52919 5_1), se réalise en dehors ou à la limite de la zone d'activation des tissus traités (comme le montre la Fig.5. De cette manière, le domaine 2' limité par des parois gazeuses, dans ce cas, représente formellement les limites du réacteur tel que dénommé dans la présente invention.
[102] Le plasma dit PIT PTTM 6 turbulisé dans le domaine 3, se présentant comme un gaz froid de molécules (et radicaux) fortement excitées, entre en contact avec la surface traitée du tissu et y effectue des traitements tels que l'activation, la stérilisation, la réanimation des cellules pseudo-nécrotiques, la passivation (dépôt de couche fine solide, neutre, préservant la zone traitée du tissu de toute action venant de l'extérieur).
[103] Les éléments (23), (24), (25), ainsi que les câbles d'alimentation électrique (34) connectés au générateur (5), dûment isolés, sont réalisés sous forme de conduit flexible de petit diamètre.
[104] La présente invention est utilisée, notamment, pour la transformation de la biomasse en combustible torréfié et en hydrogène, la destruction de déchets organiques, la stimulation de la combustion dans les turbines à gaz, la réalisation d'opérations d'assistance chirurgicale, telles que, par exemple, la réanimation des cellules pseudo nécrotiques, et la passivation des cicatrices.
[105] Exemples d'application de la présente invention.
[106] Exemple 1.
[107] Réacteur PIT PTTM, pour la production de granules (pellets) torréfiées suite à la transformation de biomasse en poudres torréfiées.
[108] Produit de base : sciure de bois de sapin
[109] Gaz de support : azote (N2)
[110] Débit de matière première : 1,2 T/h
[111] Puissance du dispositif : 100 kW
[112] Durées des impulsions de courant: tl = 2.10-3 s; t2= 2.10-3 s
[113] Productivité : lT/h
[114] Angle a : 30°
[115]
Paramètres du procédé de torréfaction tels que mesurés et insérés dans (5)
L Longueur du réacteur PIT m 3,00E+00
n Densité des particules de sciure m 3 3,54E+06
v Vitesse des particules de sciure m/s 1,00E+01
S Surface de section du jet PIT m2 7,85E-03
E Energie d'activation J l,60E-20
N Nombre d'impacts activants par sec s 1 3,92E+17
t = L/v Durée de vol d'une particule de sciure s 1,00E-01
K Facteur d'activation 3,00E+01
c Capacité thermique du gaz de support J/K/m3 l,25E+03 Tp Température des canaux de plasma K 3,30E+03
Tg Température dans le zone de réaction K 3,00E+02
d Diamètre moyen des canaux PIT m 3,00E-03
L Longueur moyenne des canaux m 3,00E+00
tl Durée d'une impulsion de courant s 2,00E-03
I Valeur moyenne du courant électrique A 1,00E+01
V Tension moyenne PITV 2,00E+03
[116] Vérification des conditions de l'invention :
[117] Condition plasmodynamique (éq.(l) :
[118] 0,28. k. Tg .m*. P-l. Qen-l.D-0,5. v0,5.v-0,5 = 1,11. 10-2 « 1
[119] Condition de dissipation d'énergie (2) :
[120] 0,5< t2/tl =1 < 2
[121] Condition électrodynamique et énergétique (éq.5)
[122] n.v.S.E.N.K.t = 5,23. 103
[123] c.(Tp - Tg).L.d2/tl = 5,06.104
[124] I.V = 104
[125] On a donc bien
[126] 5, 23.103« 104 «5,06.104
[127] Les équations (1), (2) et (5) sont donc bien vérifiées.
[128] Cela signifie que le procédé visé et le dispositif mis en œuvre répondent aux conditions (1), (2) et (5) telles qu'exigées pour la réalisation de la présente invention.
[129] Exemple 2.
[130] Réacteur dit PIT PTTM (voir schéma Fig. 4), pour la stimulation de l'activation des gaz d'admission dans la chambre de combustion d'une turbine à gaz (tests en milieu préindustriel).
[131] Le réacteur dit PIT PTTM se trouve, à l'entrée en amont de la chambre de combustion de la turbine.
[132] Pression du procédé : 17 bars.
[133] Produit de base : méthane introduit dans le réacteur par les conduits (23)
[134] Vitesse du méthane : < 30m/s
[135] Gaz de support (introduit par les conduits (24)) : azote (N2)
[136] Vitesse du gaz de support : < 20 m/s
[137] Longueur du plasmatron PIT PTTM : 9.10-2 m
[138] Diamètre : 11.10-2 m
[139] Angle a : 180°
[140] Gaz d'alimentation du plasmatron (introduit par le conduit (25)) : azote (N2)
[141] Vitesse moyenne du gaz d'alimentation du plasmatron : < 20m/s
[142] Puissance du dispositif : < 10 kW
[143] Durées des impulsions de courant électrique : tl = 2.10-3 s; t2= 10-3 s
[144] Nombre d'électrodes (Cu) par plasmatron : 2 (concentriques). [145] Durée totale des tests en fonctionnement continu : 27 heures
[146] Résultats :
[147] Augmentation du rendement de la turbine : ~3%
[148] Augmentation de l'efficacité du procédé de combustion : ~10%
[149] Diminution des émanations de NOx : 17%
[150] Les résultats obtenus ne sont pas optimisés, mais considérés comme suffisants pour passer à l'étape des tests industriels sur turbine de puissance 350 MW.
[151] Exemple 3.
[152] Dispositif selon la Fig. 5 pour le traitement, principalement et avantageusement, la réanimation des cellules pseudo-nécrotiques qui sont le résultat d'interventions chirurgicales internes ou externes, et/ou la passivation des surfaces des tissus organiques traités chirurgicalement, c'à d. le dépôt sur les surfaces des tissus d'une fine couche (quelques couches moléculaires) flexible qui protège la surface traitée de toute action destructive de l'environnement.
[153] Angle a : 180°
[154] Diamètre du conduit d'alimentation : 8 mm
[155] Diamètre du dispositif : 12 mm
[156] Longueur du dispositif (utilisable en laparoscopie) : 30 0 mm
[157] Composants utilisés :
[158] Conduit (25): argon ou azote;
[159] Conduit (24), débouchant dans un collecteur torique : argon + hexaméthyldisilasane pulvérisé ;
[160] Conduit (23), débouchant dans un collecteur torique : argon
[161] Valeur maximum de l'amplitude moyenne des impulsions de courant électrique ; 2 A
[162] Valeur maximum de l'amplitude moyenne des impulsions de tension du courant électrique : 10 kV.
[163] Opérations effectuées en laboratoires :
0 Cautérisation ;
0 Désinfection ;
0 Réanimation des cellules pseudo-nécrotiques (témoignages des études histologiques des surfaces traitées d'organes de souris, de lapins et de porcs) ;
0 Passivation par dépôt de film d'oxyde de silicium (30 - 80 nm), formé à partir d'hexaméthyldisilasane pulvérisé porté par de l'argon dans la zone de réaction, sur la surface d'un rein de porc préalablement incisée et suturée (microscopie électronique sur échantillons séchés).
[164] En résumé, tels que revendiqués dans la présente invention, le procédé et dispositif de traitement plasmochimique de matière fractionnée dans un réacteur utilisant un générateur de jet turbulent de plasma en impulsions du type dit PIT fonctionnant à pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique sont tels que les paramètres principaux, les dimensions du réacteur, l'amplitude moyenne du courant et de la tension aux électrodes, le diamètre, la vitesse et la concentration des particules de matière à traiter, les durées des impulsions électriques et l'énergie d'activation des particules de matière à traiter, sont liés de telle manière que les particules de matière à traiter effectuent dans le réacteur des trajectoires sous forme de boucles avec un angle d'incidence dans le réacteur, a, variable, conditionnées par I' accès et la réaction des particules du plasma à la surface des particules de matière à traiter, la dissipation de l'énergie des impulsions de courant, le transfert d'énergie suffisante pour la réalisation de la réaction mais limitée par la condition d'absence de réchauffement du plasma.
[165] L'invention est utilisée pour :
- la transformation de la biomasse en combustible torréfié et en hydrogène,
- la destruction de déchets organiques,
- la stimulation de la combustion dans les turbines à gaz,
- la réalisation d'opérations d'assistance chirurgicale, telles que, par exemple, la réanimation des cellules pseudo-nécrotiques, et la passivation des cicatrices.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de génération d'une réaction plasmochimique, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs plasmatrons PIT (1) contenant une ou plusieurs électrodes (4) formant des canaux de plasma de longueur L et de diamètre d, montés dans un réacteur (2) pourvu d'un (de) conduit(s) introduisant les particules de matière à traiter, entraînées par un gaz de support (9) formant un flux incliné par rapport à l'axe (18) du réacteur (2) sous un angle a, le dispositif présentant un conduit (14) d'évacuation des particules de matière à traiter après leur traitement, et un conduit d'évacuation des gaz résiduels (13) avec filtre (12), système de récupération (22) et valves (21), ledit dispositif étant réalisée de manière que le flux de particules de matière à traiter effectue dans la zone de réaction (3) une trajectoire en forme de boucle( 17) dont les dimensions sont déterminées par le choix de la longueur L du réacteur, de la surface S de la section du(des) plasmatron(s), de l'angle a.
2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il contient des appareils de déplacement (10) déterminant le débit des particules de matière à traiter, des capteurs et moyens de mesure et de variation contrôlable de l'angle a (19'), des vitesses v du flux chargé de particules de matière à traiter(20), de la vitesse du flux de plasma ( ) (choisie ~ v) du courant I (5') parcourant les électrodes et de la tension (5") aux électrodes V, de manière à optimiser le régime de fonctionnement du dispositif, produisant un procédé de traitement plasmochimique de matière fractionnée.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des protections mécaniques (par exemple déflecteur (28)) et des protections hydrodynamiques sous forme de conduits supplémentaires de gaz (23) et (24) sont prévues pour protéger les éléments du dispositif de toute action destructive venant des gaz et particules de matière à traiter, introduits dans le réacteur (3), les gaz les plus habituels étant, par exemple, N2 en tant que gaz de support (9); Ar, He, en tant que gaz d'alimentation du plasmatron (1); N2, en tant que gaz neutre introduit par le conduit (24) et portant, notamment les particules de matière à traiter, telles que, par exemple des gouttelettes pulvérisées d'hydrocarbures; Air, 02, H2, vapeurs haloïdes, gaz chargés de vapeurs d'éléments organiques, en tant que gaz actifs, portant aussi, notamment les particules de matière à traiter, le tout introduit par le/les conduit(s) (23), les dimensions des conduits et les débits correspondants étant conçus et organisés de telle manière que les différents composants introduits se mélangent dans la zone de réaction par l'intermédiaire de couches limites (27), la zone de réaction (3), les trajectoires des particules de matière à traiter (17) et les parties actives du plasma dit PIT PTTM, notamment les canaux de plasma (6) se trouvant en dehors des zones initiales des flux.
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le réacteur (2) est conçu de manière à fonctionner, notamment, à haute pression, situation pour laquelle il est pourvu d'un sas à haute pression (30) dans lequel les conduits de gaz (22), (23) (24) sont introduits par l'intermédiaire de joints (31), les communications électriques par l'intermédiaire de joints isolants hermétiques (3 ), les particules de matière à traiter étant injectées par le(les) conduit(s) (23) avec des vitesses telles qu'elles sont entièrement transformées en gaz dans la zone de réaction (17"), ou bien, s'il s'en crée dans la zone de réaction (17') elles sont complètement transformées en gaz, ou bien encore, si la réaction plasmochimique n'est pas complète (17'"), étant en état d'excitation suite à l'activation subie dans la zone, de réaction(3) et grâce à l'injection par le conduit (28) d'un gaz actif à la sortie du réacteur (29), elles sont entièrement transformées en gaz dans le conduit de sortie du réacteur (13,14) , les gaz et produits des réactions plasmochimiques issus du réacteur 2 débouchant directement sur l'objet à actionner (32), par exemple les aubages d'une turbine à gaz (32).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est conçu pour le traitement de flux de particules de matière à traiter dans le cadre de la torréfaction plasmochimique de la biomasse, de la génération plasmochimique d'hydrogène, de la destruction des déchets organiques, de la stimulation et l'optimisation du rendement et de l'efficacité des procédés de combustion dans les turbines à gaz, de la réalisation de traitements médicaux uniques comme, par exemple, la réanimation des cellules pseudo-nécrotiques et la passivation lors d'opérations chirurgicales.
6. Procédé de traitement plasmochimique de matière fractionnée réalisé par l'action d'un réacteur plasmochimique utilisant un générateur de plasma en impulsions du type dit PIT-PTTM, caractérisé par : une étape de renforcement du caractère turbulent du plasma dit PIT et une étape d'application de la puissance moyenne de génération du flux de plasma PIT, égale au produit de l'amplitude moyenne de la tension appliquée aux électrodes, V, par l'intensité moyenne du courant, I, dans une impulsion, est soumise aux conditions plasmochimique, dissipative, électrodynamique et énergétique suivantes :
0,28. k. Tg m*. P-l. Qen-l.D-0,5. v0,5.v-0,5 » 1
0,5 < (t2/tl) <2
n.v.S.E.N.K.t « V.l « c .(Tp - Tg) . L . d2/tl
où
k est la constante de Boltzmann ;
Tg est la température du gaz de support environnant le canal de la décharge PIT (K) ; m* est le rapport mn/me ;
mn est la masse des particules neutres ;
me est la masse des électrons ;
P est la pression ;
Qen est la section efficace moyenne de diffusion des électrons du plasma parmi les particules du gaz de la zone de réaction;
D est le diamètre caractéristique moyen des particules de matière à traiter ;
v est la vitesse des particules de matière à traiter ;
v est la viscosité cinématique du milieu dans lequel se déplacent les particules de matière à traiter ;
tl est la durée d'une impulsion électrique ; t2 est le laps de temps entre les impulsions électriques ;
n est la concentration des particules de matière traitée (m 3) ;
v est la vitesse moyenne de passage des particules de matière traitée à travers le réacteur PIT(m/s) ;
S est la surface du jet de plasma PIT à l'intérieur de réacteur (m2) ;
E est l'énergie d'activation transférée aux particules de matière traitée par les particules (molécules, les radicaux libres, les atomes) excitées dans le jet de plasma PIT ou par les électrons du jet de plasma PIT et qui atteignent la surface de la particule de matière traitée (J) ;
N est le nombre d'impacts d'activation par seconde sur une particule de matière traitée (s-1) ;
K est le facteur d'activation (d'après l'expérience, 10 <K < 50 suivant la géométrie du réacteur) ;
t est le temps de vol (~ L/v) d'une particule de matière traitée à travers le réacteur (s)
L est la longueur caractéristique du réacteur (m) ;
C est la chaleur spécifique du gaz porteur de particules de matière traitée, traversant le réacteur dit PIT (J/K/m3) ;
Tp est la température caractéristique des particules lourdes (molécules, radicaux, atomes) du plasma dit PIT (K) ;
Tg est la température caractéristique du gaz entourant les canaux de plasma PIT (K), dans la zone de réaction ;
d est le diamètre moyen des canaux de plasma (m) ;
L est la longueur caractéristique des canaux de plasma.
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les impulsions de courant électrique sont modulées dans le temps suivant le caractère du milieu entourant le(s) plasmatron(s), principalement, la géométrie du (des) plasmatron(s), en particulier des électrodes, le débit des gaz d'alimentation du (des) plasmatron(s), le caractère turbulent des gaz d'alimentation du (des) plasmatron(s) et de sa (leur) périphérie et de leur organisation dans le (les) plasmatron(s) et à sa (leur) sortie.
8. Procédé, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, suivant les exigences des réactions plasmochimiques visées, le flux de plasma est rendu plus ou moins turbulent avec une échelle de turbulence contrôlée et prédéterminée par la vitesse voulue des réactions, mesurée, par exemple, par le débit des particules de matière traitée sortant du réacteur en créant des zones de gaz coaxiales de vitesses et de compositions variées autour du jet de plasma de manière à contrôler le caractère laminaire/turbulent du plasma et de gérer les flux de gaz qui pourraient perturber le procédé ou, contrairement, à imposer un régime d'écoulement nécessaire au procédé visé.
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'intensité des réactions plasmochimiques visées est contrôlée par la variation de l'angle a d'incidence du flux de particules à traiter dans le réacteur, leur débit et les paramètres des impulsions de courant électrique.
10. Procédé, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que , dans le cas où, le long de parcours de particules solides à travers le réacteur, de génération des particules solides, d'organisation des flux coaxiaux de gaz de protection et de contrôle de l'état de ces particules dont la variation des débits permet la gestion du comportement de ces particules (par exemple, leur dépôt non voulu) d'une part, et, d'autre part d'en assurer le traitement total (leur disparition suite à une réaction de combustion ou d'attaque chimique) ou partiel.
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