FR3034098B1 - Procede de gazeification de combustibles en utilisant un bain de metal fondu et dispositif de gazeification mettant en oeuvre un tel procede - Google Patents

Abstract

L'objet de l'invention concerne un procédé de gazéification de combustibles tels que des combustibles solides de récupération dans un réacteur de gazéification (10) présentant un gradient de température décroissant de bas en haut. Selon l'invention, le procédé comprend : - une étape dans laquelle on génère un gradient de température décroissant de bas en haut dans le réacteur de gazéification au moyen d'un bain de métal fondu (11) agencé dans une partie inférieure du réacteur (10), - une étape dans laquelle on pyrolyse les combustibles sous l'effet des gaz chauds provenant du bain de métal fondu pour générer un mélange gazeux (goudrons, CO, CO2, H2) et des résidus carbonés (coke) ; - une étape dans laquelle on dissout les résidus carbonés dans le bain de métal fondu et on déclenche une combustion en phase liquide en présence d'au moins un agent oxydant pour former des gaz riches en gaz carburants ; - une étape dans laquelle on récupère lesdits gaz riches en gaz carburants.

Description

PROCEDE DE GAZEIFICATION DE COMBUSTIBLES EN UTILISANT UN BAIN DE METAL FONDU

ET DISPOSITIF DE GAZEIFICATION METTANT EN ŒUVRE UN TEL PROCEDE

La présente invention a pour objet un procédé de gazéification de combustibles en utilisant un bain de métal fondu en vue de la production d'un gaz riche en gaz carburants, notamment un gaz de synthèse riche en hydrogène et en monoxyde de carbone et un dispositif de gazéification mettant en œuvre un tel procédé.

Le présent procédé est particulièrement adapté pour gazéifier des combustibles solides de récupération (C.S.R). On entend par combustibles solides de récupération, des combustibles solides préparés à partir de déchets composés de déchets cellulosiques et/ou de plastiques.

Il est connu de soumettre les déchets notamment ménagers et/ou industriels à un processus de synthèse dit de gazéification pour générer un gaz de synthèse. Celui-ci peut être ensuite utilisé pour alimenter des piles combustibles ou des turbines à gaz pour produire de l'énergie électrique, ou bien si la qualité du gaz le permet, de servir comme réactif dans un procédé chimique comme par exemple la synthèse de carburants (de type Fischer Tropsh).

Le processus de gazéification désigne un processus de transformation thermique des combustibles solides dans un réacteur dit réacteur de gazéification dans lequel se déroulent successivement trois phases de transformation. Les combustibles sont préalablement séchés au cours d'une phase de séchage. Cette phase de séchage peut être intégrée ou non au réacteur de gazéification. Les combustibles solides sont introduits dans le réacteur de gazéification. Ils se décomposent tout d'abord sous l'effet de la chaleur et en absence d'agent oxydant, c'est la phase de pyrolyse. Les combustibles se transforment d'une part, en une partie solide appelée coke (charbon) et, d'autre part, en une partie gazeuse, dite gaz de pyrolyse constituée d'hydrocarbure gazeux (eau, goudron) et de matière volatiles (CO, CO2, H2, CH4). Dans cette zone de pyrolyse, la température est comprise généralement entre 300°C et 700°C. Dans une seconde phase dite phase de réaction, les matières volatiles produites lors de la phase de pyrolyse sont ensuite dégradées en présence d'un ou plusieurs agents, par exemple oxygène, vapeur d'eau, hydrogène pour craquer thermiquement et chimiquement les goudrons. Dans une troisième phase dite phase d'oxydation, une partie du coke issu de la phase de pyrolyse est convertie en un gaz très chaud et combustible riche en CO et H2 appelé gaz de synthèse ou syngas. II est connu d'utiliser un réacteur à lit fixe de solides à traiter à travers lequel on force la convection d'un agent oxydant. Le rendement en gaz de synthèse de ce type de réacteur est relativement faible. La température de fonctionnement de ce réacteur est limitée pour ne pas impacter le lit solide qui doit conserver une bonne porosité. Cette limitation en température n'est pas favorable à la production d'hydrogène et de monoxyde de carbone. En outre, ce procédé ne permet pas de minimiser la formation de chaînes carbonées lourdes telles que les goudrons.

On connaît également les réacteurs à lit fluidisé dans un mélange de vapeur d'eau et d'oxygène. Dans un tel système, une partie de la chaleur nécessaire à la réaction de gazéification est obtenue, dans le réacteur, par la combustion des résidus organiques solides, c'est-à-dire essentiellement par la combustion du carbone fixe. Pour amorcer la réaction de gazéification, le lit doit présenter une température suffisamment élevée avant l'introduction des déchets dans le réacteur. II est donc nécessaire de prévoir des moyens de chauffage auxiliaires. En outre, comme dans le cas de la technologie de réacteur à lit fixe, la température de fonctionnement de ce type de réacteur est limitée afin de ne pas limiter le phénomène d'agglomération du lit, lié notamment à la teneur en cendres. Cette limitation en température n'est pas favorable à la génération optimale d'hydrogène et de monoxyde de carbone. II est nécessaire d'augmenter la température pour favoriser la formation d'hydrogène et de monoxyde de carbone.

On connaît également les réacteurs à milieu réactionnel constitué d'un bain de métal fondu ou de composés minéraux fondus.

Le brevet EP2 679 658 décrit par exemple une enceinte renfermant un bain de composés minéraux fondus dans lequel est injecté un flux de sortie d'une pyrogazéification. Le flux de sortie peut comprendre des gaz combustibles et des résidus composés de particules solides et des goudrons. Le bain est maintenu à une température comprise entre 1100 et 1400 °C par des brûleurs immergés dans le bain. Le bain capte les résidus et les fond. Les goudrons sont craqués sous l'effet de la chaleur dans l'enceinte. Ainsi les résidus sont fondus et détruits à la chaleur de l'enceinte et captés par le bain en fusion. Au fur à mesure du fonctionnement, le niveau supérieur du bain est remplacé par des cendres et inertes qui sont extraits du bain par un écoulement au travers du trop-plein vers un bac de vitrification.

Les gaz combustibles introduits dans l'enceinte sont ainsi épurés. Ce dispositif permet donc d'améliorer la qualité du gaz de synthèse en captant les résidus. Ainsi, la pyrogazéification est entièrement indépendante de l'enceinte contenant le bain, de ce fait, il est nécessaire de prévoir en amont un dispositif de gazéification classique, par exemple à lit fixe ou fluidisé, pour transformer les déchets en gaz combustibles. Ainsi les problèmes posés pour les dispositifs de gazéification classiques ne sont toujours pas résolus.

Ainsi pour chacun de ces dispositifs actuellement connus, plusieurs problèmes se posent : - il est nécessaire de nettoyer le réacteur pour retirer les cendres du coke ainsi que des résidus non réduits, cette phase de nettoyage impose donc un arrêt temporaire du réacteur ; - la qualité du gaz de synthèse généré est affectée par la présence plus ou moins importante de résidus non craqués ; - un faible rendement du fait de la limitation en température de fonctionnement.

La présente invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif permettant de pallier tout ou partie des difficultés rencontrées dans les dispositifs de l'art antérieur.

Un autre objectif est de pouvoir réutiliser les résidus non gazéifiés comme sous-produits recyclés. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de gazéification de combustibles tels que des combustibles solides de récupération dans un réacteur de gazéification présentant un gradient de température décroissant de bas en haut, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape dans laquelle on génère un gradient de température décroissant de bas en haut dans le réacteur de gazéification au moyen d'un bain de métal fondu agencé dans une partie inférieure du réacteur, - une étape dans laquelle on pyrolyse les combustibles sous l'effet des gaz chauds provenant du bain de métal fondu pour générer un mélange gazeux (goudrons, CO, CO2, H2,) et des résidus carbonés (coke), - une étape dans laquelle on dissout les résidus carbonés dans le bain de métal fondu et on déclenche une combustion en phase liquide en présence d'au moins un agent oxydant (O2, H2O ou air), pour former des gaz très chauds riches en gaz carburants ; - une étape dans laquelle on récupère lesdits gaz riches en gaz carburants.

Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape dans laquelle au moins une partie des résidus carbonés solides est transformée directement en un mélange gazeux sous l'effet de la chaleur fournie par les gaz riches en gaz carburants.

Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape dans laquelle les goudrons et les molécules lourdes du mélange gazeux sont transformés en éléments légers (CO, H2, CH4) sous l'effet de la chaleur fournie par les gaz riches en gaz carburants.

Selon une forme de réalisation, le bain de métal fondu est un bain de fer ou autres métaux permettant la dissolution des résidus carbonés et sa combustion en phase liquide.

De préférence, le bain de métal fondu est ajusté à une température comprise entre 1400°C et 1800°C par induction.

Avantageusement, la combustion des résidus carbonés participe au maintien de la température du bain et du réacteur de gazéification.

Selon une forme de réalisation, ledit au moins un agent oxydant est injecté directement dans le bain de métal fondu.

De préférence, ledit au moins un agent oxydant est constitué par la vapeur d'eau et de l'air enrichi en oxygène.

Selon une forme avantageuse de réalisation, un laitier liquide en fusion comprenant des inertes et des cendres formés sur la surface du bain de métal fondu est évacué par l'écoulement au travers d'un trop-plein vers un bac de vitrification.

Avantageusement, le procédé comprend une étape dans laquelle les gaz issus de la pyrolyse sont mis en circulation dans le réacteur de gazéification et mélangés aux gaz issus de la combustion des résidus carbonés dans le bain de métal fondu.

La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre du procédé défini ci-dessus, comprenant un réacteur de gazéification présentant un gradient de température décroissant de bas en haut, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le réacteur de gazéification comprend une colonne de pyrolyse agencée dans une enceinte fermée, une cuve renfermant un bain de métal fondu, la partie inférieure de la colonne étant en communication avec la partie supérieure de la cuve permettant de laisser passer des résidus carbonés issus de la colonne de pyrolyse dans le bain de métal fondu, des conduits pour injecter au moins un agent oxydant dans le bain de métal fondu, un trop-plein pour maintenir constant le niveau dudit bain de métal fondu et évacuer les scories, et au moins un conduit d'évacuation des gaz riches en gaz carburants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : -la figure 1 représente un dispositif de gazéification selon l'invention ; - la figure 2 est un schéma synoptique d'un procédé selon l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté un dispositif de gazéification 10 de combustibles tels que des combustibles solides de récupération. Le dispositif de gazéification comprend une colonne de pyrolyse 12 agencée dans une enceinte fermée 20 et une cuve 30 renfermant un bain de métal fondu 11. Dans la partie supérieure de la colonne 12 est prévue une entrée d'alimentation des combustibles. De préférence, les combustibles se présentent sous la forme de blocs cylindriques qui descendent dans la colonne depuis la partie supérieure.

Le fait de juxtaposer la colonne de pyrolyse juste au-dessus de la cuve permet d'utiliser d'une part la chaleur du bain de métal fondu pour amorcer la pyrolyse dans la colonne, et d'autre part d'utiliser la chaleur issue des réactions exothermiques du bain pour brûler une partie des résidus et des molécules lourdes issus de la pyrolyse.

Le bain de métal fondu est maintenu à une température comprise entre 1400°C et 1800°C. Le métal constituant le bain peut être du fer ou un mélange de métaux. Le bain est maintenu à une température requise pour la fusion du métal par induction.

Des conduits 16 sont prévus au niveau de la cuve 30 pour injecter au moins un agent oxydant dans le bain. Selon l'invention, l'air comprimé enrichi en oxygène et vapeur d'eau est injecté dans le bain via au moins un conduit 16.

Selon l'invention, au moins un conduit d'évacuation des gaz 14, 13 est prévu au niveau de la partie inférieure de la colonne. Les gaz 15 sont des gaz riches en gaz carburants issus des réactions du carbone dans le bain en présence des agents oxydants, notamment de l'air comprimé enrichi en oxygène et vapeur d'eau. A titre d'exemple, ces gaz carburants sont riches en hydrogène et en monoxyde de carbone.

La cuve 30 est munie d'un trop-plein 23 qui est relié à un bac de vitrification rempli d'un liquide de refroidissement, notamment de l'eau, destiné à refroidir et vitrifier les scories fondus du bain pour former des sous-produits de vitrifias.

Selon une forme particulièrement avantageuse, la paroi de la colonne de pyrolyse 12 est ajourée et présente des lumières afin d'éjecter les gaz issus de la pyrolyse dans l'enceinte fermée 20. La colonne 12 est munie de buses de distribution des gaz de combustion 21. Des gaz issus du bain de métal sont ainsi diffusés le long de la colonne via ces buses de sortie 21 de sorte que les gaz éjectés dans l'enceinte soient mis en circulation pour favoriser un mouvement ascendant pour les molécules légères et un mouvement descendant pour les molécules lourdes.

Le procédé de gazéification des combustibles est maintenant décrit en référence aux figures 1 et 2.

On génère un gradient de température décroissant de bas en haut dans le réacteur de gazéification au moyen d'un bain de métal fondu 11 agencé dans une partie inférieure du réacteur 10.

Lorsque la température dans la colonne atteint une température voisine de la température de pyrolyse, à savoir environ 600°C, des combustibles sont introduit dans la partie supérieure de la colonne sous forme de cylindres. Sous l'effet de la chaleur provenant de la combustion des résidus carbonés dissous dans le bain de métal fondu, les combustibles sont transformés en un mélange gazeux (entre autres goudrons, CO, CO2, H2) et génèrent également des résidus carbonés (coke). Les gaz sont éjectés via les lumières de la colonne 12 et les résidus carbonés descendent vers la partie inférieure de la colonne.

Les résidus carbonés sont dissous dans le bain de métal fondu. Leur combustion en phase liquide en présence d'au moins un agent oxydant injecté par les conduits 16 forme des gaz riches en hydrogène et en monoxyde de carbone. Les gaz de craquage 15 riches en hydrogène et en monoxyde de carbone sont évacués en partie via les conduits de sortie 14, 13, en partie distribués dans l'ensemble de l'enceinte du réacteur à travers les buses de sortie 21 le long de la colonne.

De préférence, l'agent oxydant est injecté directement dans le bain via un conduit d'injection 16 de manière à favoriser la combustion du carbone dissous dans le bain.

Selon une forme particulièrement avantageuse de l'invention, une partie des résidus solides, notamment le coke issu de la pyrolyse, est transformée directement en un mélange gazeux sous l'effet de l'hydrogène dont la température est voisine de 1800 °C.

De manière similaire, les goudrons et les molécules lourdes du mélange gazeux sont craqués en éléments légers (CO, H2, CH4) sous l'effet de la chaleur fournie par les gaz riches en hydrogène et en vapeur d'eau.

Selon une forme particulièrement avantageuse de l'invention, l'oxydation d'une partie des résidus carbonés solides participe au maintien de la température du bain. De ce fait, lorsque l'énergie dégagée est suffisante, il est possible de réduire le fonctionnement de l'induction de la cuve.

Au fur à mesure du fonctionnement du dispositif, un laitier liquide en fusion 17 comprenant des inertes et des cendres est formé sur la surface du bain de métal fondu 11. Le laitier de liquide en fusion 17 formé au-dessus du bain de métal fondu est évacué au travers d'un trop-plein 23 qui est relié à un bac de vitrification à l'eau. Le bac assure par la trempe à l'eau la vitrification des inertes en fusion qui sont extraits du bac sous forme de billes, inertes et insolubles. Ces billes peuvent être exploitées comme sous-produits exploitables.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de gazéification de combustibles tels que des combustibles solides de récupération (C.S.R) dans un réacteur de gazéification (10) présentant un gradient de température décroissant de bas en haut, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape dans laquelle on génère un gradient de température décroissant de bas en haut dans le réacteur de gazéification au moyen d'un bain de métal fondu (11) agencé en partie inférieure du réacteur (10) et chauffé directement en plus des réactions dans ledit réacteur de gazéification et dans le bain de métal fondu, - une étape dans laquelle on pyrolyse les combustibles solides de récupération sous l'effet des gaz chauds provenant du bain de métal fondu pour générer un mélange gazeux (goudrons, CO, CO2, H2) et des résidus carbonés (coke), avec une remise en circulation de ces gaz dans le réacteur en amont du bain de métal fondu, - une étape dans laquelle on dissout les résidus carbonés solides dans le bain de métal fondu et on déclenche une combustion en phase liquide en présence d'au moins un agent oxydant, introduit directement dans le bain de métal fondu, pour former des gaz riches en gaz carburants, - une étape dans laquelle on récupère lesdits gaz riches en gaz carburants.
2. 2. Procédé de gazéification selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape dans laquelle les goudrons et les molécules lourdes du mélange gazeux sont transformés en éléments légers (CO, H2, CHU) sous l'effet de la chaleur fournie par les gaz riches en gaz carburants.
3. 3. Procédé de gazéification selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bain de métal fondu est un bain de fer ou autres métaux permettant la dissolution des résidus carbonés et sa combustion en phase liquide.
4. 4. Procédé de gazéification selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bain de métal fondu est ajusté à une température comprise entre 1400°C et 1800°C par chauffage à induction.
5. 5. Procédé de gazéification selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la combustion des résidus carbonés participe au maintien de la température du bain et du réacteur de gazéification.
6. 6. Procédé de gazéification selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit au moins un agent oxydant est constitué par la vapeur d'eau et l'air enrichi en oxygène.
7. 7. Procédé de gazéification selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un laitier liquide en fusion (17) comprenant des inertes et des cendres formés sur la surface du bain de métal fondu (11) est évacué par l'écoulement au travers d'un trop-plein vers un bac de vitrification.
8. 8. Procédé de gazéification selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les gaz carburants sont des gaz riches en hydrogène et en monoxyde de carbone.
9. 9. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé (1) selon l'une des revendications 1 à 8 comprenant un réacteur de gazéification (10) présentant un gradient de température décroissant de bas en haut, caractérisé en ce que le réacteur de gazéification comprend une colonne de pyrolyse (12) agencée dans une enceinte fermée (20), une cuve (30) renfermant un bain de métal fondu (11), la partie inférieure de la colonne étant en communication avec la partie supérieure de la cuve permettant de laisser passer des résidus carbonés (22) issus de la colonne de pyrolyse, ladite colonne étant ajourée et comprenant des lumières pour laisser passer les gaz issus de la colonne de pyrolyse dans l'enceinte (20) et munie de buses (21) de distribution des gaz de combustion dans l'enceinte du réacteur, des conduits (19) pour injecter au moins un agent oxydant dans le bain de métal fondu (11), un trop-plein (23) pour maintenir constant le niveau dudit bain de métal fondu et au moins un conduit d'évacuation (13,14) des gaz riches en gaz carburants.
10. 10. Dispositif de gazéification selon la revendication 9, caractérisé en ce que les buses de sortie (21) sont configurées de manière à mettre en circulation les gaz issus de la pyrolyse dans le réacteur de gazéification.
11. 11. Dispositif de gazéification selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que le trop-plein (23) est relié à un bac de vitrification pour former des sous-produits de vitrifiats.