FR3047300A1 - Procede de gazeification et dispositifs permettant de le mettre en oeuvre - Google Patents

Abstract

Le procédé objet du présent brevet définit comme les gaz et la matière circulent entre quatre espaces et quelles sont les conditions qui règnent dans ces espaces et leurs fonctions. Grâce à ces conditions et aux modes breveté de circulation, la gazéification produit des gaz « propres de pyroligneux » et laisse les cendres sous forme pulvérulente. Le procédé permet aussi de produire du charbon que l'on extrait si l'on veut en même temps que les cendres ou d'épuiser les cendres du charbon qu'elles pourraient contenir. Les trois espaces principaux précisés sont un espace de séchage - carbonisation - gazéification partielle, un espace d'élévation à haute température et un espace de gazéification du charbon. Un espace de finition vient les compléter. On précise trois dispositifs qui permettent la réalisation du procédé.

Description

La gazéification consiste à convertir de ia matière carbonée oxydable solide ou liquide en un gaz combustible et éventuellement en cendres et/ou charbon. La gazéification peut être réalisée en utilisant ou non un ou plusieurs oxydants du carbone (air, oxygène pur ou dilué, C02, H20 etc.). La gazéification de ligno-cellulose par exemple dégage lors de la pyrolyse - carbonisation, une quantité importante d'eau dite de constitution et cela même quand le produit est initialement totalement sec. Cette eau peut servir d'oxydant du carbone.

Le gaz combustible obtenu peut permettre d'alimenter un moteur, une turbine ou une chaudière ou peut être utilisé pour d'autres usages (par exemple : production de carburant liquide ou de méthane). Comme exemples de matières que l'on peut gazéifier, citons de manière non limitative : de la poudre ou des morceaux de biomasse, de charbon, de plastiques, d'ordures etc.

Dans les cas où l'on vise une oxydation totale (combustion) de la matière carbonée dont on dispose, on peut avantageusement utiliser une gazéification intermédiaire complétée par une oxydation finale. On pourra dans ce cas simplifier légèrement, comme on le verra, certaines parties des dispositifs permettant de mettre en œuvre le procédé de gazéification décrit ici. L'ensemble des travaux, qui ont commencé avant 1900, ayant pour objet la gazéification du charbon mais aussi des lignites, des tourbes, de biomasses ou d'ordures, a conduit à la construction de différents gazogènes. Ces travaux n'ont pas abouti jusqu'à présent à des procédés de gazéification produisant directement des gaz suffisamment propres pour ne pas abîmer ou user prématurément les moteurs, turbines ou chaudières qu'ils alimentent, tout en évitant la fusion ou l'agglomération des cendres (provenant des incombustibles contenus dans la matière à gazéifier). Or la fusion ou l'agglomération des cendres rendent difficile la valorisation ultérieure de ces cendres et peuvent conduire à des dégradations des appareils lors de l'arrêt de certains gazéifieurs (par exemple : arrachage d'une couche de réfractaire lors du refroidissement du réacteur).

Rappelons aussi que l'obtention de gaz suffisamment propres de pyroligneux est capitale si l'on veut les utiliser pour produire par synthèse des carburants liquides. En effet, les pyroligneux dégradent prématurément les catalyseurs utilisés pour recombiner les molécules du gaz en liquide, par exemple pour des procédés du type Fisher-Tropsch.

Parallèlement à ces travaux sur la gazéification, il est apparu qu'une combustion directe est souvent plus simple à mettre en œuvre qu'une combustion passant par l'étape intermédiaire d'une gazéification même sommaire. Cependant, la nécessité de répondre à des contraintes de qualité de fumées toujours plus fortes conduit dans certains cas aujourd'hui à envisager de faire la combustion de façon mieux maîtrisée en passant par le stade d'une gazéification organisée. D'où l'intérêt de l'application du présent procédé de gazéification à la combustion. Dans ce cas, on pourra simplifier légèrement les dispositifs utilisés pour la gazéification.

Dans les gazéifieurs anciens ou même actuels ou dans les installations de combustion, de multiples réactions qui transforment la matière ont lieu globalement, simultanément, dans un peu toutes les zones, de façon peu différenciée et sont de ce fait difficiles à contrôler et à orienter. Les réactions sont particulièrement mélangées dans une combustion de solide.

Le procédé objet du présent brevet consiste à séparer le réacteur en plusieurs espaces entre lesquels circulent de façon organisée matières et gaz et dans chacun desquels les conditions chimiques et thermiques sont définies et éventuellement contrôlées de sorte que plusieurs étapes importantes de la gazéification, voire de la combustion, soient favorisées dans chaque espace par les conditions chimiques et thermiques qui y régnent.

Le procédé de gazéification et les dispositifs permettant de le mettre en œuvre objets du présent brevet permettent de produire à partir de matière carbonée (même contenant des incombustibles et/ou des substances indésirables), un gaz (dit « gaz pauvre » quand la gazéification est faite avec de l'air) assez facile à épurer de ses cendres ou de ses substances indésirables, gaz qui est susceptible d'alimenter un moteur, une turbine à gaz ou, après post-combustion, une chaudière sans les abîmer ou les user prématurément, ou d'éviter de dégrader prématurément des catalyseurs. Un avantage important du procédé de gazéification objet du présent brevet et des dispositifs permettant de le mettre en œuvre est de produire un gaz ne contenant pas de pyroligneux, gaz que l'on appellera « propre », par comparaison avec les gaz de pyrolyse ou avec les gaz de la plupart des procédés de gazéification qui contiennent trop de pyroligneux pour être utilisés directement (autrement que pour une postcombustion) sans inconvénient. De plus, le procédé de gazéification et les dispositifs permettant de le mettre en œuvre objets du présent brevet laissent les cendres issues de la gazéification sous une forme pulvérulente facilitant leur extraction, leur éventuelle épuration et/ou leur valorisation ultérieure.

Ce procédé de gazéification est fort utile en traitement des déchets (ordures ménagères, déchets industriels banaux, déchets spéciaux etc.) dans la mesure où il permet de transformer des matières carbonées contenant diverses impuretés (difficiles à séparer en l'état) en un gaz dont on peut récupérer l'énergie et séparer les polluants résiduels assez facilement et en des cendres plus facilement traitables que le solide initial.

Le procédé et les dispositifs pour le réaliser faisant l'objet du présent brevet sont le résultat d'une observation et d'une réflexion sur tous les matériels de gazéification réalisés de par le monde et les époques ainsi que sur les réactions physiques et chimiques qui ont lieu au cours d'une gazéification. Le procédé objet du présent brevet consiste à mettre en œuvre une succession bien déterminée d'opérations élémentaires précises et contrôlées. Lorsque l'on cherche finalement simplement une combustion, on peut modifier légèrement le système et le compléter par une post-combustion judicieuse de sorte d'obtenir le système le moins coûteux possible. L'invention définit aussi plusieurs dispositifs permettant de réaliser le procédé. Le procédé et ses dispositifs permettent de transformer le produit à gazéifier en un gaz combustible et en cendres, contenant des quantités qui peuvent être plus ou moins importantes, selon le réglage choisi> de charbon. Grâce au procédé objet du présent brevet, le gaz combustible (dit « propre » car il ne contient pas de pyroligneux qui gêneraient les opérations ultérieures) peut faire l'objet d'une épuration chimique fine bien plus facilement qu'on ne pourrait épurer le produit initial ou des gaz chargés de pyroligneux (en particulier si l'on cherche à en extraire des métaux lourds, des éléments ou des substances toxiques). Beaucoup de substances organiques indésirables sont détruites par le procédé. Cependant, même si une substance indésirable n'est pas détruite lors de la gazéification, elle est bien plus facile à extraire d'un gaz « propre » que d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz chargé de pyroligneux.

Grâce au procédé et aux dispositifs qui permettent de le mettre en œuvre, on peut récupérer de façon efficace et économiquement intéressante l'énergie contenue dans diverses matières sans polluer ou en dépolluant l'environnement (et cela avec un bon rendement énergétique et une robustesse satisfaisante).

Outre le fait de permettre de produire des gaz propres tout en gardant les cendres en poudre, l'invention a la qualité de permettre des démarrages rapides et des variations de régime et arrêts encore plus rapides, sans inconvénient et sans dégradation de la propreté des gaz. Ceci permet un fonctionnement à la demande, particulièrement intéressant pour ajuster la production de chaleur et/ou d'électricité aux besoins du moment.

Une autre qualité différenciante du procédé et des dispositifs permettant de le mettre en œuvre objets du présent brevet est leur souplesse concernant les matières à gazéifier. Un même dispositif mettant en œuvre le présent brevet peut être alimenté successivement par des matières de nature et de taux d'humidité différents sans que ses performances ne s'en trouvent dégradées, pourvu que la granulométrie globale de la matière reste dans certaines limites.

Plusieurs types d'appareils peuvent mettre en œuvre le procédé objet du présent brevet : - des appareils qui réalisent la gazéification dans un lit de matière posée sur une grille (figures 1 à 5 et 8 à 10), la matière se déplaçant sur la grille, par exemple en étant poussée par un piston, ou la grille se déplaçant avec la matière. Ce type d'appareils convient particulièrement aux matières contenant des éléments ayant une granulométrie relativement importante (par exemples : bûches et plaquettes de bois, ordures ménagères brutes ou grossièrement broyées, tout produit broyé grossièrement). Les appareils de ce type seront appelés « gazéifieurs en lit posé ». - des appareils qui réalisent la gazéification dans un lit de matière mise en suspension dans un gaz (figures 13 et 14). Ce type d'appareils convient particulièrement aux matières pulvérulentes ou de granulométrie fine (y compris liquides pulvérisés). Les appareils de ce type proposés ici seront appelés « gazéifieurs en lit fluidisé ». Un exemple de gazéifieur en lit fluidisé est le cas où la gazéification est réalisée dans un cylindre dans lequel la matière est introduite de façon appropriée et maintenue en suspension par les gaz soufflés par un ventilateur (figures 13 et 14). Gaz et matière en suspension dans le gaz font alors l'objet de transferts de chaleur et de masse. Un tel dispositif peut être qualifié de gazéifieur en lit fluidisé cyclone. D'autres dispositifs peuvent être utilisés pour la mise en suspension de la matière.

Le procédé objet du présent brevet a lieu en plusieurs étapes différenciées, réalisées dans différents espaces.

La première étape du procédé a lieu dans un espace (1) que l'on appellera espace de « séchage -carbonisation - gazéification partielle ». Dans cet espace, une partie du gaz à haute température (environ 1000 à 1200°C) provenant de l'espace d'« élévation à haute température », que l'on décrira ci-après, arrive sur la matière à gazéifier. Ce gaz arrive sur une des faces du Ht (posé (3) ou fluidisé (4)), avantageusement sur le dessus du lit dans le cas d'un lit posé, par la face que l'on appellera « dessus du lit ». Dans la couche superficielle du lit (rencontrée d'abord par le gaz et dont le dessus est le « dessus du lit »), le gaz très chaud commence par sécher, s'il en est besoin, la matière en surface puis la réchauffe et la carbonise. Le gaz très chaud pyrolyse la fine couche séchée qui est apparue en surface peu de distance après l'entrée de la matière dans l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » du fait de l'avancement du lit. La température du gaz passe très rapidement dès qu'il touche ce lit d'environ 1000-1200°C à environ 750°C du fait qu'il est refroidi par l'endothermicité de la gazéification due à la réaction de la vapeur d'eau (présente ou rajoutée) sur le carbone. A cette température d'environ 750°C, la réaction de vapo-gazéification du carbone a une vitesse trop lente pour continuer à faire chuter les températures. Le gaz à 750°C échauffe et pyrolyse alors la matière du lit située en dessous et qu'il traverse jusqu'à ce que sa température chute à un niveau de l'ordre de 200°C à 100°C, température à laquelle a lieu un séchage de la couche plus basse de la matière (on peut montrer par une évaluation thermodynamique globale que, pour produire des gaz de gazéifieur les plus riches possibles, on a tout intérêt à utiliser une matière quasiment anhydre, par exemple obtenue en mettant un séchoir en amont du gazéifieur).

Le gaz qui sort en dessous du lit de matière, du fait de son aspiration (réalisée avantageusement par un ventilateur (5) dit « ventilateur principal »), contient un mélange de gaz de gazéification, gaz de pyrolyse et gaz de séchage. Selon les conditions de fonctionnement, la température de ce gaz peut varier d'environ 250eC à 800eC. Ceci oblige à utiliser, pour aspirer le gaz repris en dessous du lit, par exemple un ventilateur résistant aux températures les plus élevées citées. De plus, le gaz aspiré peut contenir des poussières qui n'ont pas été retenues par le lit et éventuellement la grille. Ces poussières peuvent se déposer, ainsi que des pyroligneux, sur les pales du ventilateur. Cette raison explique l'opportunité qu'il y a, si l'on utilise un ventilateur, à utiliser un ventilateur à pales radiales résistant à la température de 800eC, ventilateur dont l'axe doit être judicieusement refroidi si l'on ne veut pas avoir d'incident. L'étape suivante est une étape d'élévation à haute température du gaz extrait de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle ». Cette étape a lieu dans un espace appelé espace d'« élévation à haute température ». Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour cela, par exemple un arc électrique ou plus simplement une oxydation partielle du gaz. Pour la gazéification de certaines matières, on pourra être amené à injecter à un endroit judicieux du gazéifieur, avantageusement dans l'espace d'« élévation à haute température » de l'eau sous forme pulvérisée ou vapeur.

Pour que l'élévation en température se passe dans les conditions désirées (température ni trop élevée qui favoriserait la formation de NOx et poserait des problèmes constructifs, ni trop basse qui, dans le cas d'une élévation de la température par oxydation partielle du gaz, risquerait d'aboutir à une combustion instable), l'espace d'« élévation à haute température » est réalisé de façon à obtenir un mélange vigoureux des gaz qui assure l'homogénéité thermique.

Dans le cas (imaginé actuellement comme le plus courant) où l'élévation en température est obtenue par une oxydation partielle du gaz, le gaz, extrait de l'espace « séchage - carbonisation - gazéification partielle », aspiré avantageusement par un ventilateur et introduit dans l'espace d'« élévation à haute température », subit, quelle que soit sa température en entrée dans cet espace, une oxydation partielle du fait d'une température suffisamment élevée et d'une mise en contact intime avec l'oxydant du carbone (avantageusement air, air enrichi en oxygène ou oxygène) que l'on introduit dans cet espace en quantité telle que la température y atteigne la valeur recherchée de l'ordre de 1000 à 1200°C.

On réalise avantageusement cela en faisant rentrer dans l'espace d'« élévation à haute température » les gaz sortant de l'espace de « séchage - carbonisation - carbonisation partielle » par un ou des conduits à l'extrémité desquels sont disposé des orifices, de sorte que les jets de gaz qui en sortent favorisent autant qu'il est possible la rotation de l'ensemble gazeux qui tourne sur lui-même dans l'espace d'« élévation à haute température ». Les orifices d'injection ont tout intérêt à être assez petits et à injecter les gaz dans le sens et la direction de l'écoulement. L'introduction des gaz par des orifices de forme allongée, circulaire ou autres sont possibles. Ces orifices injectent à une vitesse judicieuse le gaz provenant de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » et éventuellement l'oxydant du carbone (avantageusement soufflé par un ventilateur). Ces orifices permettent de mélanger les gaz entrants aux gaz déjà élevés en température qui tournent dans l'espace d'« élévation à haute température ».

Les orifices d'injection de gaz sont d'un nombre, de dimension et de position judicieusement définies pour que le mélange du gaz tournant dans l'espace d'« élévation à haute température » et des gaz entrants ait lieu avantageusement en bien moins d'un tour dans l'espace d'élévation en température. En choisissant bien les vitesses d'injection du ou des gaz, on peut obtenir qu'en avantageusement bien moins d'un tour, le mélange soit porté à la température cherchée et au moins que, dans le cas d'une oxydation partielle, la température soit telle que les gaz dès qu'ils rencontrent l'oxydant, s'oxydent partiellement en flamme ou en réaction homogène permettant ainsi d'élever tout le gaz de l'espace d'« élévation à haute température » à la température visée. On rappelle que l'oxydant du carbone, si oxydation il y a, est introduit judicieusement dans l'espace d'oxydation partielle en utilisant des orifices qui le font sortir dans la direction de l'écoulement. La vitesse de sortie de l'oxydant du carbone par ces orifices est avantageusement choisie de sorte que d'une part le mélange de l'oxydant du carbone avec les gaz qui tournent se fasse avantageusement en bien moins d'un tour et que la quantité de mouvement transmise par les gaz provenant de l'espace de séchage - carbonisation - gazéification partielle et éventuellement l'oxydant du carbone, communiquent à la masse gazeuse en mouvement une quantité de mouvement suffisante pour maintenir le mouvement de rotation à un niveau de vitesse suffisant quelle que soit en particulier la quantité d'oxydant du carbone éventuellement injectée. Par oxydation partielle ou par un autre moyen, on peut ainsi atteindre de façon homogène une température de 1000 à 1200°C pour les gaz tournant dans l'espace d'« élévation à haute température », en particulier en régulant la quantité d'oxydant introduite par les fentes d'injection d'air ou la puissance de chauffage.

Dans le cas particulier d'un gazéifieur avec un oxydant du carbone injecté dans l'espace d'élévation à haute température, les gaz utilisés pour l'oxydation partielle peuvent avantageusement avoir été au préalable réchauffés par exemple par passage dans un échangeur transférant de la chaleur du gaz sortant du gazéifieur à l'oxydant du carbone nécessaire au procédé.

Les gaz sortant de l'espace d'« élévation à haute température » sont dirigés : - pour une partie vers l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » au dessus du lit de matière à gazéifier qu'ils vont traverser comme expliqué plus haut - pour l'autre partie vers l'espace de « gazéification du charbon » (2). Dans l'espace de « gazéification du charbon », le lit de matière a été intégralement séché puis carbonisé dans l'espace de « séchage -carbonisation - gazéification partielle » et y a subi une température limitée à environ 750°C (après un court trajet entre 1100 et 750°C) du fait de la traversée du charbon par un gaz contenant de la vapeur d'eau venue à entre 1000 et 1200eC de l'espace d'« élévation à haute température ». Ces gaz, venant de l'espace d'« élévation à haute température », ne contiennent plus de pyroligneux que craqués quasi-totalement du fait de leur séjour à température élevée en présence de vapeur d'eau pendant une durée suffisante. Au cas où ce cracking ne serait pas total, ces gaz complètent leur cracking en traversant, dans l'espace de « gazéification du charbon » le lit de carbone et de cendres. Une partie du carbone de ce lit est gazéifiée dans cet espace de « gazéification du charbon » grâce à la haute température des gaz contenant de l'eau et du fait que le charbon est gazéifié par l'eau, jusqu'à ce que leur température soit descendue aux alentours de 750°C (température à laquelle ils ne réagissent pratiquement plus l'un sur l'autre). Ce sont donc des gaz à environ 750eC, arrivés dans cet espace déjà presque propres de pyroligneux et rendus totalement propres de pyroligneux par la traversée à haute température d'une couche de charbon bien cuit, qui sont les gaz de procédé produits par le gazéifieur mettant en œuvre le procédé objet du présent brevet. L'espace de gazéification est avantageusement dans le prolongement de l'espace de séchage -carbonisation - gazéification partielle (figures 3, 4, 8). Dans le cas particulier d'une gazéification avec grille, la grille (6) qui supporte la couche de matière dans l'espace de « gazéification du charbon » peut avantageusement être un prolongement de la grille de l'espace de « séchage - carbonisation -gazéification partielle » dans l'espace de « gazéification du charbon ». Les gaz de procédé sortant de l'espace de « gazéification du charbon » sont à 750°C et peuvent donc, en traversant un échangeur à contre-courant (ou courants croisés assemblés en contre-courants), élever la température de l'oxydant du carbone jusqu'aux alentours de 600 - 700°C (les débits-masse des deux fluides sont en effet environ les mêmes).

Dans une version à grille, un piston (7), ou tout autre dispositif adéquat pousse avantageusement la matière à gazéifier, petit à petit transformée, puis les cendres mêlées à une quantité plus ou moins grande de charbon de l'entrée à la sortie (8) du lit. Dans cette application du procédé, on peut choisir dans une certaine mesure la quantité de carbone qui sera extraite dans le mélange cendres - carbone en extrémité de grille ou plus généralement en sortie de l'espace de gazéification.

Dans une autre étape, on introduit le mélange cendres-carbone dans le dernier espace du système de gazéification appelé espace de « finition ». Cet espace de « finition »qui permet le refroidissement du mélange cendres - charbon ou l'épuisement des cendres en carbone peut avantageusement être simplement une colonne sur le haut de laquelle on introduit le mélange cendres-carbone à épuiser et en bas de laquelle sont extraites les cendres épuisées en carbone ou le mélange assez refroidi de cendres et de charbon.

Dans le cas de l'épuisement en carbone, pour éviter que les températures dans la colonne de cendres à épuiser ne deviennent trop élevées, on introduit, en bas de la colonne, en même temps que l'oxydant du carbone destiné à épuiser le carbone présent, une quantité de vapeur d'eau suffisante pour, en présence de carbone, obliger par une vapogazéification endothermique du carbone concurrente de son oxydation, le mélange à rester à une température aux alentours de 750°C, soit bien en dessous de la température de fusion des cendres. Cette introduction se fait avantageusement en humidifiant l'oxydant du carbone que l'on introduit en bas de la colonne par barbotage (préalable à son introduction) dans une eau avantageusement à environ 80eC. On dosera la quantité d'oxydant du carbone et de vapeur d'eau introduite dans la colonne d'épuisement des cendres en carbone de sorte que la teneur en oxydant du carbone du gaz sortant en haut de cette colonne soit aussi faible que possible. Dans le cas particulier d'un gazéifieur à l'air, le gaz produit dans l'espace d'épuisement en carbone contiendra des traces d'oxygène, du monoxyde et du dioxyde de carbone, de l'hydrogène, de la vapeur d'eau et de l'azote (en négligeant les traces d'autres corps).

Le gaz sortant de l'espace d'épuisement des cendres en carbone est alors selon les cas, plus ou moins mélangé au gaz envoyé dans les espaces de « séchage - carbonisation — gazéification partielle » et de « gazéification du charbon » au dessus du lit.

Dans le cas où la finition consiste en un refroidissement du mélange charbon - cendres, on injectera éventuellement un peu de vapeur d'eau dans la colonne de l'espace de finition, qui se mélangera éventuellement à des gaz de gazéification, le tout étant éventuellement recyclé avec refroidissement dans un échangeur étanche avec de l'eau froide ou de l'air ambiant. D'autres dispositifs qu'une simple colonne en bas de laquelle rentre le mélange oxydant du carbone-vapeur d'eau ou le mélange gaz de gazéification - vapeur d'eau refroidi et en haut de laquelle sort le gaz d'épuisement en carbone ou le mélange gaz de gazéification - vapeur d'eau peuvent être conçus et utilisés dans le cadre du développement du procédé.

Divers dispositifs peuvent mettre en œuvre le procédé décrit ci-dessus : on citera à titre d'exemples non limitatifs : - un gazéifieur en lit posé incliné dans lequel l'espace d'« élévation à haute température » est séparé de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » réuni à l'espace de « gazéification du carbone » - un gazéifieur en lit posé incliné dans lequel l'espace d'élévation à haute température n'est pas séparé des espaces de l'espace commun de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » et de « gazéification du carbone » - un gazéifieur dans lequel la couche de matière à gazéifier est en suspension dans un écoulement cyclonique

Les deux gazéifieurs en lit posé cités ci-dessus comportent une grille légèrement descendante (de pente avantageusement proche de 30° sans que ceci soit limitatif) sur toute la longueur de laquelle repose le lit de matière. Par moments, un piston (7) est poussé à la surface de la grille, dans la partie inférieure du lit, par un ou des tubes disposés dans le sens de la longueur du lit et constitué avantageusement par une barre transversale fixée en extrémité de ce ou ces tubes, dont la section droite est en forme de triangle rectangle dont les côtés de l'angle droit sont perpendiculaire à la grille et parallèle à la grille et dont la partie perpendiculaire à la grille est vers le bas.

La grille est avantageusement constituée de profilés en T (9) (avantageusement constitués de plats piés en L et assemblés par points de soudure) qui sont disposés dans le sens de l'écoulement du lit de matière à gazéifier que l'on constitue sur cette grille. En dessous de la couche de T qui soutient la matière, se trouve une couche de T « interstitiels » (10) si l'on peut dire, qui assure que la matière qui tombe des fentes de la première couche ne tombe pas complètement. Les couches de T sont tenues par des transversales (11) qui avantageusement reposent sur des glissières (12) attachées aux parois du gazéifieur.

Au dessus de la grille et dans le dessous de la couche de matière à gazéifier posée sur la grille se déplace par moments un piston (évoqué plus haut) immergé dans la couche de matière (3) à gazéifier. Ce piston a avantageusement une épaisseur de l'ordre du tiers de l'épaisseur de la couche. En avançant et reculant, il induit, du fait de la forme avantageusement en triangle rectangle de sa section droite et du fait de la pente du lit, un mouvement résultant vers l'aval de la partie du lit à l'entour.

Ce piston est poussé par un ou plusieurs (avantageusement deux) tubes avantageusement ronds d'acier avantageusement fermés de façon étanche et remplis en partie d'eau, réalisant ainsi une sorte de caloduc qui assure un meilleur refroidissement de la partie qui est en contact avec les produits de la couche de matière en cours de gazéification.

Ces tubes, avantageusement ronds, « de poussée » sont mis en mouvement avantageusement par un câble ou une chaîne avec retour (mu par un motoréducteur (26)). Une poulie adéquatement placée assure que le motoréducteur entraîne les tubes du piston dans les deux sens (descente et remontée du piston). Ces tubes traversent les parois et en particulier la paroi d'étanchéité du gazéifieur par des éléments métalliques (13) assurant l'étanchéité la meilleure possible (munis en cas de besoin de tresses en céramique tissée).

Des tôleries appropriées (14 et 15) permettent de récupérer les cendres et les particules qui tombent sous le lit ainsi que le mélange charbon-cendres à l'extrémité du lit.

En dessous de la grille, l'espaces de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » est séparé de l'espace de « gazéification du charbon » par une séparation rigide (16).

Les gaz propres qui, après traversée de la partie aval du lit, sont les gaz produits par le procédé, sont extraits, par une conduite (17), de la zone située en dessous de la partie de la grille située dans l'espace de « gazéification du charbon » après qu'ils ont traversé la couche de matière au dessus de cette partie de grille et cette partie de grille.

Les gaz qui traversent la partie amont du lit et qui sont plus ou moins chargés de vapeur d'eau de séchage de la matière constituant le lit ainsi que de divers gaz de pyrolyse et de gazéification, regroupés en dessous du lit, sont envoyés par une conduite (18) dans un ventilateur dit principal (5) qui supporte les hautes températures des gaz aspirés en fonctionnement normal mais aussi en fonctionnement critique.

Les gaz soufflés par le ventilateur cité ci-dessus (appelé ventilateur principal) sont envoyés dans l'espace d'« élévation à haute température » (19) où leur oxydation partielle a lieu grâce à des techniques de stabilisation de flamme ou de combustion. Dans cet espace dont la température est maintenue entre 1000 et 1200 °C par régulation de la quantité d'air introduite, les gaz sont transformés puis, à la sortie (20) de cet espace, réintroduits au dessus de la couche de matière à gazéifier située au dessus de la grille.

Dans un autre gazéifieur à lit posé, l'espace d'élévation à haute température est situé au dessus du lit et fait partie d'une construction unique intégrant aussi le dessous du lit, la grille et la couche qu'elle porte et l'ensemble des pièces associées à la partie « grille » du gazéifieur (entre autres par exemple double-clapet d'alimentation (21)).

Dans le premier gazéifieur décrit ci-dessus, le ventilateur principal est raccordé à l'espace de « séchage -carbonisation - gazéification partielle » par une courte canalisation (22) munie de deux joints de dilatation (23). La sortie du ventilateur principal est aussi raccordée à l'entrée de l'espace d'« élévation à haute température » par une courte canalisation (24) munie elle aussi d'un joint de dilatation (25).

Dans le second gazéifieur décrit ci-dessus, le ventilateur principal, intégré à un matériel d'un seul bloc aspire aussi en dessous de la zone amont du lit, mais sa sortie souffle dans un espace d'« élévation à haute température » situé au dessus du lit et en communication directe avec les espaces de « séchage -carbonisation - gazéification partielle » et de « gazéification du charbon ».

De cette façon, la masse de gaz à haute température qui tourne dans l'espace d'élévation à haute température laisse partir la couche de gaz extérieure vers le lit où elle est directement aspirée.

Dans ce second gazéifieur, l'air de gazéification est introduit dans le gaz à oxyder partiellement par une fente au bord de fuite d'une conduite de forme aérodynamique disposée parallèlement à la longueur de la chambre, conduite qui est alimentée par un ventilateur. C'est essentiellement le jet d'air sortant à grande vitesse de la fente qui transmet au gaz de la chambre la quantité de mouvement nécessaire à maintenir la rotation des gaz de la chambre.

Les gaz aspirés par le « ventilateur principal » en dessous de l'espace de « séchage - carbonisation -gazéification partielle » sont refoulés par lui dans un petit caisson qui alimente des fentes qui traversent l'écoulement perpendiculairement à l'axe de rotation du fluide dans l'espace d'« élévation à haute température » et injectés par des fentes dans l'écoulement Grâce aux dispositions des conduites et des fentes, cela perturbe le moins qu'il est possible l'écoulement.

Dans le gazéifieur dans lequel le lit est « fluidisé cyclone », le ventilateur principal souffle les gaz dans des tôleries qui les guident. Ces tôleries sont conçues de telle façon qu'elles envoient les gaz soufflés dans une fente longitudinale d'un quasi-cylindre dans lequel la matière est maintenue en fluidisation cyclone. Dans cette version, ce n'est qu'une partie des gaz soufflés par le ventilateur principal qui passe dans l'espace d'« élévation à haute température » situé dans le prolongement de l'espace cyclonique de « séchage - carbonisation - gazéification partielle ».

Dans tous les cas, les gaz de gazéification sortant de l'espace de gazéification du carbone contiennent habituellement des poussières. Il est avantageux de séparer ces poussières des gaz avant le passage des gaz dans l'éventuel échangeur qui réchauffe l'éventuel air de gazéification. Cette séparation qui a lieu à haute température se fait avantageusement dans un cyclone suivi de multi-cyclones.

Dans tous les cas, en cas de besoin, on peut, après éventuellement passage des gaz dans l'échangeur, les faire passer dans un laveur qui a l'avantage de les épurer plus complètement et de pouvoir en abaisser la température jusqu'à des températures légèrement supérieures à la température atmosphérique.

Les figures représentent divers mode de réalisation de l'invention auxquels elle ne se limite bien sûr pas.

La figure 1 représente une vue d'ensemble en perspective d'un gazéifieur selon le procédé réalisé dans la version à lit posé avec espace d'élévation à haute température séparé des espaces de « séchage -carbonisation - gazéification partielle » et de « gazéification du charbon ».

La figure 2 représente une vue de dessus du même ensemble.

La figure 3 représente une vue de côté de cet ensemble.

La figure 4 représente une coupe des espaces de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » et de l'espace de « gazéification du carbone ».

La figure 5 représente une coupe de la grille dans une réalisation particulière.

La figure 6 représente une vue de côté de l'espace d'« élévation à haute température » dans une réalisation particulière.

La figure 7 représente une vue de dessus de l'espace d'« élévation à haute température ».

La figure 8 représente une coupe d'une version particulière de gazéifieur dans laquelle l'espace d'« élévation à haute température » n'est pas séparé des espaces de « séchage - carbonisation -gazéification partielle » et de « gazéification du carbone ».

Les figures 9 et 10 représentent deux vues en perspectives du même système de gazéification que la figure 8.

La figure 11 représente une vue en perspective de l'intérieur de l'espace d' « élévation à haute température » dans la version de gazéifieur représentée par les figures 8,9 et 10.

La figure 12 est une coupe de l'espace d'« élévation à haute température » représenté en perspective sur la figure 11.

La figure 13 est une coupe de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » d'une version en lit fluidisé cyclone de gazéifieur.

La figure 14 représente une vue en perspective du même dispositif de gazéification que la figure 13.

La figure 15 représente une vue en perspective d'une installation totale de combustion dans laquelle un système de gazéification à lit posé sur grille fixe alimente une chaudière.

Au cas où l'on utilise la gazéification comme première étape d'une combustion, on pourra sortir directement une partie des gaz de l'espace d'élévation à haute température pour leur faire subir une post-combustion éventuellement à la rentrée dans la chaudière récupérant les calories de la combustion. Cette situation amènera à donner à l'espace d'élévation à haute température une forme un peu différente et en particulier à y prévoir à une extrémité un ou plusieurs orifices de sortie des gaz destinés à a post-combustion. Dans cette même configuration, on pourra séparer la séparation le long de la couche de matière entre l'espace de séchage - carbonisation - gazéification partielle et l'espace de gazéification du carbone sachant qu'il n'y aura pus dans une telle version de sortie des gaz de procédés en dehors de la sortie de l'espace d'élévation à haute température conduisant à la post-combustion. La post-combustion sera avantageusement faite par un tube cylindrique ou tronc-cônique percé de multiples trous et introduit dans la chaudière comme on y introduit le nez du brûleur. Ce tube injectera de l'air soufflé suffisamment vigoureusement par exemple par une série de trous percés dans sa surface. Selon la richesse des gaz produits, on injectera une quantité d'air réglée judicieusement pour limiter l'excès d'air dans la combustion finale.

Les premières applications industrielles de l'invention sont à la fois des gazéifieurs de produits de diverses granulométries et des systèmes intégrant la gazéification et réalisant la carbonisation, la combustion et/ou l'incinération de Nombreuses matières.

Claims (26)

1. Revendications 1) Procédé de gazéification, se déroulant dans un ensemble comprenant principalement un gazéifieur, caractérisé : - par le fait que l'on peut y distinguer au moins deux étapes se déroulant dans deux espaces du gazéifieur : o une étape de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » se déroulant dans un espace appelé espace de « séchage-carbonisation - gazéification partielle » o une étape d'« élévation à haute température » de gaz intermédiaires se déroulant dans un espace appelé espace d'« élévation à haute température », - par le fait que la matière à gazéifier traverse l'espace de « séchage - carbonisation -gazéification partielle » en y avançant en lit, en se modifiant progressivement en même temps qu'elle avance, sa composante carbonée étant progressivement transformée en un mélange de cendres et de charbon, - et par le fait que ce lit de matière est traversé transversalement par au moins une partie des gaz provenant de l'espace d'« élévation à haute température » et dont la circulation à travers le lit de matière induit le séchage, la carbonisation et la gazéification au moins partielle de celle-ci.
2. 2) Procédé de gazéification selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise un moyen de mise en mouvement des gaz dans le gazéifieur pour : - faire passer à travers le lit de matière situé dans l'espace de « séchage - carbonisation -gazéification partielle » les gaz qui induisent la gazéification de cette matière, - faire entrer dans l'espace d'« élévation à haute température » les gaz ayant traversé ce lit, - et faire passer de l'espace d' « élévation à haute température » à l'espace de « séchage -carbonisation - gazéification partielle », la partie des gaz issus de l'espace d'« élévation à haute température » qui rejoint l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » pour y traverser le lit de matière qu'il contient.
3. 3) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que de l'eau sous forme pulvérisée ou vapeur est injectée dans le gazéifieur.
4. 4) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'élévation à haute température des gaz contenus dans l'espace d' « élévation à haute température » est obtenue au moins par l'introduction dans cet espace d'un oxydant, comme par exemple l'oxygène ou l'air.
5. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'élévation à haute température des gaz contenus dans l'espace d'« élévation à haute température » est obtenue au moins par un moyen de chauffage électrique.
6. 6) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé : - par le fait que les gaz contenus dans l'espace d'« élévation à haute température » sont animés d'un mouvement rotatif d'ensemble, - par le fait que les gaz qui sont introduits dans l'espace d'« élévation à haute température » y sont rapidement mélangés aux gaz contenus dans cet espace, ce mélange assurant en particulier la dilution dans l'ensemble des gaz contenus dans l'espace d'« élévation à haute température » de la chaleur générée par le moyen d'élévation à haute température utilisé, - et par le fait que l'injection de ces gaz dans l'espace d'« élévation à haute température » fournit au mélange la quantité de mouvement nécessaire à maintenir sa rotation.
7. 7) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé : - par le fait qu'il comporte une étape de « gazéification du charbon » se déroulant dans un espace du gazéifieur appelé espace de « gazéification du charbon », - par le fait qu'entre dans cet espace le mélange de cendres, de charbon et d'incombustibles issu de la matière à gazéifier sortant de l'espace de « séchage -carbonisation - gazéification partielle », - par le fait que ce mélange traverse l'espace de « gazéification du charbon » en y avançant en lit, - et par le fait que ce lit de matière est traversé par des gaz provenant de l'espace d' « élévation à haute température » qui, après réaction avec la matière du lit, sortent du lit de l'espace de gazéification du charbon, séparés des gaz qui sortent du lit de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle ».
8. 8) Procédé de gazéification selon l'une des revendications 2 à 7 caractérisé : - par le fait que l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » est de forme approximativement cylindrique, - par le fait que les gaz injectés dans cet espace y sont injectés en périphérie de cet espace, - par le fait que, du fait du mouvement des gaz dans cet espace, la matière à gazéifier, injectée dans cet espace, y forme un lit fluidisé approximativement de révolution dans le cylindre, ce lit étant traversé par les gaz injectés dans cet espace, - et par le fait que ces gaz, après avoir traversé le lit de matière, sont aspirés au centre du cylindre sous l'effet du moyen de mise en mouvement des gaz.
9. 9) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé : - par le fait qu'il comporte une étape de « finition » se déroulant dans un espace du gazéifieur appelé espace de « finition » - par le fait que la matière issue de la transformation de la matière à gazéifier, qui entre dans cet espace de « finition » est : o la matière issue de la transformation de la matière à gazéifier, qui sort de l'espace de « gazéification du charbon » si le gazéifieur comporte un espace de « gazéification du charbon » o la matière issue de la transformation de la matière à gazéifier, qui sort de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » si le gazéifieur ne comporte pas d'espace de gazéification du charbon - et par le fait que les gaz sortant de l'espace de finition sont mélangés aux gaz circulant dans le gazéifieur.
10. 10) Procédé de gazéification selon la revendication 9 caractérisé par le fait que la matière issue de la transformation de la matière à gazéifier, présente dans l'espace de « finition », y subit un épuisement au moins partiel en carbone.
11. 11) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 9 et 10 caractérisé par le fait qu'avant de sortir de l'espace de « finition », la matière issue de la transformation de la matière à gazéifier, y subit un refroidissement.
12. 12) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que les gaz sortant du gazéifieur sont traités à leur sortie du gazéifieur, par exemple en étant séparés à chaud des poussières qu'ils contiennent, en étant refroidis par le passage dans un échangeur, en étant filtrés à froid, en étant lavés.
13. 13) Procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les gaz sortis du gazéifieur passent dans au moins un échangeur qui permet de transférer une partie de la chaleur qu'ils contiennent à au moins une partie des gaz introduits dans le gazéifieur, comme par exemple l’oxydant introduit dans l'espace d' « élévation à haute température » lorsque le procédé comporte l'introduction d'un tel oxydant.
14. 14) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que le moyen de mise en mouvement des gaz est au moins un ventilateur.
15. 15) Dispositif de gazéification selon la revendication 14 caractérisé en ce que le au moins un ventilateur est un ventilateur à pales radiales et à axe refroidi.
16. 16) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé de gazéification selon la revendication 6 caractérisé par le fait qu'au moins une partie des gaz introduits dans l'espace d'« élévation des gaz à haute température » y est introduite par au moins une conduite dirigée dans une direction proche de la direction de l'écoulement des gaz dans l'espace d' « élévation à haute température » et de forme aérodynamique dans la direction de cet écoulement lorsqu'elle traverse cet écoulement pour atteindre le au moins un point d'injection dans l'espace d' « élévation à haute température» des gaz qu'elle conduit.
17. 17) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé par le fait que l'espace d'« élévation à haute température » est : - soit séparé de la zone située juste en amont du lit de matière avançant dans l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » et/ou du lit de matière avançant dans l'espace de « gazéification du charbon » si un tel espace existe dans le gazéifieur - soit situé directement dans la zone située juste en amont du lit de matière avançant dans l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » et/ou du lit de matière avançant dans l'espace de « gazéification du charbon » si un tel espace existe dans le gazéifieur.
18. 18) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 caractérisé en ce que la matière entrant dans l'espace de « finition » est déposée dans une colonne traversée par un gaz circulant à contre-courant, semi-contre-courant ou courant croisé de la matière entrante et capable de refroidir ou d'oxyder la matière déposée dans la colonne.
19. 19) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4,5, 6, 7, 9,10,11,12,13 caractérisé par le fait que, pour traverser l'espace de « séchage - carbonisation - gazéificatin partielle » et l'espace de « gazéification du charbon » s'il en existe un dans le gazéifieur, la matière à gazéifier, petit à petit transformée au cours du procédé, est posée sur une unique grille ou sur plusieurs grilles globalement dans le prolongement les unes des autres ou juxtaposées les unes aux autres.
20. 20) Dispositif de gazéification selon la revendication 19 caractérisé : - par le fait que la ou les grille sur lesquelles est posée la matière à gazéifier, petit à petit transformée au cours du procédé, sont fixes - et par le fait que le mouvement du lit de matière posée sur la ou les grilles est généré à la fois par une pente de la ou des grilles et par une répétition de mouvements d'un ou de plusieurs pistons de forme judicieuse poussés juste au dessus de la ou des grilles, dans le dessous du lit de matière, pistons circulant sur tout ou partie de la longueur de la ou des grilles.
21. 21) Dispositif de gazéification selon la revendication 20 caractérisé par le fait que le ou les pistons ont : - une épaisseur de l'ordre du tiers de l'épaisseur de la couche de matière - et une section en forme de coin, la pointe du coin étant dirigée vers l'arrière du ou des pistons, dans le sens opposé au flux de matière.
22. 22) Dispositif de gazéification selon la revendication 19 caractérisé en ce que la ou les grilles sur lesquelles repose la matière à gazéifier, petit à petit transformée au cours du procédé, sont mobiles et en ce que la matière posée sur cette ou ces grilles est déplacée avec la grille.
23. 23) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé de gazéification selon la revendication 8 caractérisé par le fait que les gaz injectés en périphérie de la partie approximativement cylindrique de l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » le sont par au moins une fente parallèle aux génératrices du cylindre.
24. 24) Dispositif de gazéification mettant en œuvre un procédé de gazéification selon la revendication 8 caractérisé : - par le fait que l'espace de « séchage - carbonisation - gazéification partielle » qui est de forme approximativement cylindrique est entouré par des conduits, de forme par exemple hélico "claie - par le fait que les gaz circulant dans ces conduits sont au moins une partie des gaz mis en mouvement par le moyen de mise en mouvement des gaz - par le fait qu'un ou plusieurs de ces conduits débouchent dans l'espace d'« élévation à haute température », - par le fait que les autres de ces conduits débouchent dans l'espace de « séchage - carbonisation -gazéification partielle », - et par le fait que l'espace d'« élévation à haute température » est situé approximativement dans le prolongement de la partie cylindrique de l'espace de « séchage - carbonisation -gazéification partielle ».
25. 25) Dispositif de gazéification mettant en oeuvre un procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé par le fait que ce dispositif, en plus du gazéifieur, comporte un dispositif, pouvant être plus ou moins automatisé, d'alimentation du gazéifieur en matière à gazéifier.
26. 26) Dispositif de gazéification mettant en oeuvre un procédé de gazéification selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 caractérisé par le fait que ce dispositif, en plus du gazéifieur, comporte un dispositif de séchage de la matière à gazéifier.