Exploration d’un cycle à oxycombustion

Cycle à oxycombustion de type OxyFuel

Introduction

Nous allons étudier le modèle d’un cycle à oxycombustion de type OxyFuel.

Réaliser une oxycombustion consiste à remplacer le comburant habituel, à savoir l’air, mélange principalement d’oxygène et d’azote (resp. 21 % et 78 % en volume) par de l’oxygène pur ou un mélange d’oxygène O2 et de dioxyde de carbone CO2. Les techniques d’oxycombustion permettent à la fois d’obtenir des fumées composées presque exclusivement d’eau et de gaz carbonique et de réduire très fortement les émissions d’oxyde d’azote.

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Dans un cycle à oxycombustion de type OxyFuel, on dispose, en entrée du condenseur (6), de fumées contenant CO2 et H2O, à une pression de 1 bar. Elles sont refroidies par une source froide externe, jusqu’à une température suffisamment basse pour que presque toute l’eau soit condensée (7). L’eau condensée est extraite du cycle.

En sortie de condenseur, une fraction du gaz composé principalement de CO2 est extraite (2), le débit restant, égal à 35 kg/s dans cet exemple, étant comprimé jusqu’à la pression de 40 bars dans un compresseur (2–3), avant d’être mélangé à de l’oxygène pur (environ 4,4 kg/s). Ce mélange est ensuite utilisé comme comburant dans la chambre de combustion stœchiométrique (3–4) dont le combustible est du méthane, la température de fin de combustion étant voisine de 1350 °C.

Les fumées sont détendues dans une turbine (4–5) jusqu’à 1 bar, puis refroidies dans un générateur de vapeur récupérateur (5–6) avant d’entrer dans le condenseur, fermant ainsi le cycle.

Un cycle à vapeur, travaillant entre les pressions de 0,03 bar et de 150 bars et 530 °C et mettant en jeu un débit d’eau de 10 kg/s, est couplé au cycle précédent pour former un cycle combiné. Dans le schéma de cette figure, ce cycle à vapeur est représenté de manière sommaire sous forme du GVR et de la turbine, la pompe et le condenseur n’étant pas montrés ni les compresseurs d’oxygène et du combustible.

Un tel modèle conduit aux performances suivantes : puissance 35 MW, efficacité brute 60,6 %, mais ces excellentes valeurs doivent être tempérées par le “coût” de séparation de l’oxygène de l’air.