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WO2024217888A1 - Four a soles multiples pour mettre en contact un solide et un gaz - Google Patents

Four a soles multiples pour mettre en contact un solide et un gaz Download PDF

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Publication number
WO2024217888A1
WO2024217888A1 PCT/EP2024/059256 EP2024059256W WO2024217888A1 WO 2024217888 A1 WO2024217888 A1 WO 2024217888A1 EP 2024059256 W EP2024059256 W EP 2024059256W WO 2024217888 A1 WO2024217888 A1 WO 2024217888A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
solid
enclosure
tray
trays
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/059256
Other languages
English (en)
Inventor
Laurent Bournay
Sebastien Gonnard
Jean-Philippe Heraud
Mathieu MORIN
Eric VOLLAND
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.)
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Axens SA
Bionext SA
Avril SARL
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
TotalEnergies Onetech SAS
Original Assignee
ThyssenKrupp Uhde GmbH
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Axens SA
Bionext SA
Avril SARL
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
TotalEnergies Onetech SAS
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 ThyssenKrupp Uhde GmbH, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, IFP Energies Nouvelles IFPEN, Axens SA, Bionext SA, Avril SARL, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA, TotalEnergies Onetech SAS filed Critical ThyssenKrupp Uhde GmbH
Publication of WO2024217888A1 publication Critical patent/WO2024217888A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Pending legal-status Critical Current

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    • F27B9/30—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types
    • F27B9/3005—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types arrangements for circulating gases
    • F27B2009/3027—Use of registers, partitions

Definitions

  • the number of orifices of said at least one plate associated with said first gas distribution means may be between 5 and 60 per m2 , preferably between 8 and 40 per m2 , and very preferably between 10 and 30 per m2 .
  • the invention further relates to a method for drying and/or roasting a solid of the biomass feed type, said method being implemented using the multiple-hearth furnace according to any one of the embodiments described above.
  • Figure 2 schematically and non-limitingly illustrates a first embodiment of the multiple-hearth furnace according to the invention, in counter-current operation.
  • Figure 4 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a second variant of the embodiment of Figure 2.
  • Figure 5 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, an evolution of the variant of Figure 4.
  • Figure 6 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a fourth variant of the embodiment of Figure 2.
  • Figure 7 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a fifth variant of the embodiment of Figure 2.
  • Figure 8 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a second embodiment of the multiple-hearth furnace according to the invention, in co-current operation.
  • Figure 9A (respectively Figure 9B) shows the evolution over time of the average temperature (respectively of the heating rate) of the biomass particles in the case of the multiple-hearth furnace according to the prior art and the multiple-hearth furnace according to the invention.
  • the present invention relates to a multiple-hearth furnace for contacting a solid in a flow of a gas.
  • the solid according to the invention can be any type of solid, such as for example a powder of a mixture of limestone, clay and sand, ore, plastic or a biomass filler.
  • the solid may correspond to a biomass feedstock.
  • the biomass feedstock may advantageously vary according to its origin. It may be wood or wood by-products, such as waste produced by logging (forest residues), sawmills, wood processing industries. It may also come from industrial by-products such as sludge or agri-food waste.
  • the biomass may also come from traditional agriculture and consist of residues such as straw, coppice, bagasse, as well as crops dedicated to energy production (miscanthus, short rotation coppice, etc.). Finally, it may correspond to organic waste, such as urban waste including sewage sludge, household waste may also constitute the feedstock.
  • the biomass feedstock may be lignocellulosic biomass or cellulose, and preferably lignocellulosic biomass.
  • the biomass feedstock may also originate from algae.
  • the feedstock may be composed of solid particles. In particular when the solid according to the invention corresponds to a biomass feedstock, it may contain a certain water content.
  • the gas according to the invention may be, depending on the intended application, air but also recycled combustion gases, carbon dioxide, water vapor, or an inert gas such as helium or nitrogen.
  • the gas can be an inert gas such as helium, nitrogen, or a mixture of these gases with gases recycled from a previous drying and/or roasting step.
  • the gas may also be water vapor.
  • the multiple-hearth furnace comprises an enclosure whose longitudinal axis, in the operating position (i.e. when using the device), is oriented vertically.
  • a plurality of trays also called hearths
  • the trays are therefore, in the operating position of the multiple-hearth furnace, substantially horizontal.
  • the multiple-hearth furnace according to the invention comprises means for circulating the solid in the enclosure. It is clear that the solid circulates, in the service position, from the top of the enclosure to the bottom of the enclosure, by gravity.
  • the means for circulating the solid may comprise a first opening arranged in the enclosure above the upper tray of the multiple-hearth furnace (the term “upper” is taken with reference to the service position), and a second opening arranged in the enclosure below the lower tray of the multiple-hearth furnace (the term “lower” is taken with reference to the service position).
  • the means for circulating the solid may comprise openings arranged on the trays, to allow the solid to pass from one tray to another.
  • the openings of the trays are configured so that the trays alternately have either a central opening or a peripheral opening to allow the solid to travel from one tray to another when the furnace is in operation.
  • the means for circulating the solid may comprise a shaft passing through the longitudinal axis of the enclosure to rotate means for moving the solid on each of the trays.
  • the means for moving the solid on each of the plates may comprise a scraping arm, for example an arm equipped with teeth.
  • the multiple-hearth furnace comprises means for circulating the gas in the enclosure, comprising primary gas distribution means associated (or dedicated, or specific, or relative) to at least one of the trays of the multiple-hearth furnace.
  • at least one of the trays of the multiple-hearth furnace comprises (or is associated with) primary gas distribution means (or primary gas distribution means).
  • the primary gas distribution means associated with at least one tray comprise a plurality of orifices arranged in this tray, at least one windbox arranged under this tray and in fluid communication with said tray (i.e. the windbox and the tray are configured to allow the passage of the primary gas between the windbox and the tray), and means for supplying gas to the windbox.
  • the gas when injected, the gas prefills the windbox before penetrating and uniformly passing through the thickness of the solid located on the upper part of the tray comprising a plurality of orifices.
  • This configuration makes it possible to force the gas to pass through the solid, which promotes gas-solid contact and allows better transfer of heat and material between gas and solid at the tray(s) comprising primary gas distribution means.
  • a perforated tray is referred to as a tray of the multiple-hearth furnace comprising a plurality of orifices.
  • wind box is meant a chamber intended to be connected to gas supply means and comprising a plurality of openings intended for the distribution of gas.
  • a wind box allows homogenization of the gas introduced into the chamber and stabilization of the gas pressure in the chamber, before its distribution. It is clear that the wind box according to the invention associated with a tray is supplied with gas by the means for supplying gas to primary gas distribution means according to the invention.
  • the roof (in other words the upper face) of the wind box according to the invention can coincide with the perforated plate with which it is associated.
  • the orifices of the perforated plate allow the distribution, above the perforated plate, of the gas contained in the wind box.
  • the base (i.e. the lower face) of the wind box associated with a perforated tray may extend to the walls of the enclosure of the multiple hearth furnace.
  • the chamber of the wind box according to this embodiment when combined with the highly preferred variant according to which the roof of the wind box coincides with the perforated tray with which it is associated, is then formed by the perforated tray, the base, and the walls of the enclosure of the multiple hearth furnace.
  • the wind box according to this design may be supplied with gas through an opening provided in a wall of the enclosure between the base of the wind box and the perforated tray.
  • the base of a wind box may have any shape, such as for example a flat or curved plate.
  • a plurality of trays of the multiple-hearth furnace may comprise primary gas distribution means, and most preferably, all of the trays of the multiple-hearth furnace comprise primary gas distribution means. In this way, the transfer of material and heat between gas and solid is optimized over the entire height of the multiple-hearth furnace.
  • the means for circulating the gas further comprise at least one opening arranged in the enclosure to allow the gas to escape.
  • this opening is either arranged above the upper plate of the multiple-hearth furnace in the case of countercurrent gas circulation (the term “upper” is taken with reference to the service position), or arranged below the lower plate of the multiple-hearth furnace (the term “lower” is taken with reference to the service position) in the case of cocurrent circulation.
  • the means for supplying gas to the air box of at least one of the trays associated with primary gas distribution means may comprise at least one opening provided in the furnace enclosure.
  • the opening provided in the enclosure for supplying the air box of at least one of the trays associated with primary gas distribution means may be connected to a conduit which may itself be connected to a gas supply circuit (external to the multiple-hearth furnace according to the invention), optionally by means of a 2-way valve, a non-return valve, or gas flow regulation means.
  • a 2-way valve, a non-return valve, or gas flow regulation means, specific to each tray associated with primary gas distribution means, make it possible to control the injection of gas from one tray relative to another.
  • the means of regulating the gas flow make it possible to inject a distinct quantity of gas from one tray to another, for greater flexibility.
  • the means for circulating the gas in the furnace may further comprise secondary gas distribution means, in addition to the primary gas distribution means according to the invention.
  • These secondary (or additional) gas injection means may take any form of the gas distribution means according to the prior art.
  • the secondary gas distribution means may comprise an opening arranged in a wall of the enclosure and configured for a gas supply directly into the enclosure (unlike the primary gas distribution means which first supplies a wind box).
  • the secondary gas distribution means may comprise an opening arranged in the enclosure below the lower plate of the multiple-hearth furnace in the case of counter-flow gas circulation.
  • the orifices of at least one of the trays associated with the primary gas distribution means are distributed regularly on the tray, i.e. with a constant number of orifices per unit area.
  • the number of orifices of at least one of the perforated trays may be between 5 and 60 per m 2 , preferably between 8 and 40 per m 2 , and very preferably between 10 and 30 per m 2 .
  • Such orifice distributions contribute to a homogeneous distribution of the gas on the upper part of the perforated tray(s).
  • the orifices of at least one of the plates associated with the primary gas distribution means have dimensions smaller than the dimensions of the particles of the solid, in order to avoid the phenomenon of weeping (particles which fall into the injection holes).
  • the orifices of at least one of the plates associated with the primary gas distribution means are sized to allow a gas speed in each of the orifices of between 0.1 and 20 m/s, preferably between 0.5 and 10 m/s, and very preferably between 0.8 and 5 m/s.
  • the orifices of at least one of the trays associated with the primary gas distribution means can be sized so as to comply with a predefined criterion relating to the pressure drop of the gas passing through the distribution orifices of the tray in question, and to the pressure drop of the gas passing through the solid arranged on the tray in question.
  • the solid When the solid is in the form of particles, the solid may then take the form of a bed of particles, and the pressure drop through the solid may then be a function of the height and the porosity of the bed of solid particles.
  • the enclosure of the multiple-hearth furnace may be cylindrical or parallelepipedal in shape.
  • the openings for the entry and exit of the solid from the enclosure may advantageously be arranged respectively in the upper wall and in the lower wall of the enclosure.
  • the section of the enclosure may be constant along the longitudinal axis.
  • the diameter of the enclosure may vary between 80 cm and 120 cm in internal diameter, preferably between 90 and 110 cm in internal diameter, and may very preferably be 1 m
  • the height of the enclosure may vary between 80 cm and 120 cm, preferably between 90 and 110 cm, and may very preferably be 1 m.
  • Such dimensions are conventional for multiple-hearth furnaces implemented in industrial processes as described above.
  • the material of the various elements (enclosure, trays, wind box, etc.) of the multiple-hearth furnace may be ceramic, a metal preferably resistant to corrosion, in particular any type of stainless steel. These materials are in fact resistant to the very high temperatures and acidic compounds involved during the implementation of processes using this type of furnace, and limit the extractable compounds that can migrate into the solid and/or into the gas.
  • the multiple-hearth furnace comprises a bed of particles arranged on the surface of at least one of the perforated trays, preferably on the surface of each of the perforated trays of the multiple-hearth furnace.
  • the particle bed will increase the pressure drop above the perforated tray and thus improve the gas distribution over the entire surface of the perforated tray(s).
  • the particle bed is surmounted by a grid, so that they are not carried away by the gas flow coming from the perforated trays.
  • a grid can also allow a more homogeneous distribution of the gas, thus improving the gas-solid contact. It is clear that the size of the openings of the grid must be both smaller than the particle size of the particle bed and smaller than the particle size of the solid charge.
  • the particles of a bed can be any type of particles that are non-reactive (or inert) to gas and/or have a high thermal conductivity (to promote heat transfer in the solid), such as sand particles, or crushed glass beads or raw glass beads, particles formed from natural or synthetic zeolite, from alumina, or from resins or plastic.
  • sand particles or crushed glass beads or raw glass beads, particles formed from natural or synthetic zeolite, from alumina, or from resins or plastic.
  • the materials mentioned above have the advantages of being easily available commercially and of having advantageous thermal and mechanical properties (high thermal conductivity and good resistance to attrition).
  • the height of the particle bed may be greater than 50% of the spacing between the base of the plate and the lower part of the means for moving the solid on the plate considered (for example, in the case of an arm provided with teeth, the lower part of the means for moving the solid on the plate considered corresponds to the base of the teeth), preferably greater than 60% and more preferably greater than 70%.
  • the particle size of a bed may be greater than the dimensions of the orifices of the plate considered.
  • FIG. 2 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a first embodiment of the multiple-hearth furnace according to the invention, in countercurrent operation. More precisely, this figure shows a multiple-hearth furnace comprising an enclosure 30 crossed by a central shaft 36 driven in rotation R relative to the longitudinal axis AA of the enclosure and which is arranged along the vertical axis when the furnace is in operation.
  • the multiple-hearth furnace comprises four trays 41, 42 arranged along the longitudinal axis.
  • the trays 41, 42 are equipped with either a central hole 45 or a peripheral hole 46, and this alternately from one tray to another along the longitudinal axis, to allow the passage of the solid charge from one tray to another (openings in the enclosure for the passage of the solid charge not shown).
  • the means for circulating the gas in the enclosure 30 comprise primary gas distribution means associated with a single tray, in this case the tray 42 located lowest in the enclosure 30.
  • the primary gas distribution means associated with the tray 42 comprise orifices 43 distributed homogeneously on the tray 42, a wind box 50 arranged under the tray 42, the wind box 50 being connected to a gas supply circuit 60, 61 external to the furnace by means of a conduit 52 connecting the opening 51 provided in the wind box and the opening 31 provided in the side wall of the enclosure.
  • the means for circulating the gas in the enclosure 30 according to this design further comprise an opening 32 provided in the upper wall of the enclosure to allow the evacuation of the gas in countercurrent operation.
  • the gas prefills the wind box 50 of the perforated plate 42 before penetrating and uniformly crossing the thickness of the solid (not shown) located on the upper part of the perforated plate 42.
  • This configuration makes it possible to force the gas to pass through the solid, which promotes gas-solid contact and allows better transfer of heat and material between gas and solid at the perforated plate.
  • Figure 3 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a first variant of the embodiment of Figure 2, identical in every respect to this first embodiment (thus, the common elements will not be described again), with the exception of the presence of a valve 53 along the conduit 61 of the gas supply circuit 60, 61 external to the oven, so as to be able to control the injection of gas into the enclosure 30.
  • Figure 4 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a second variant of the embodiment of Figure 2, identical in every respect to this first embodiment (thus, the common elements will not be described again), with the exception of the fact that all the trays 42 of the enclosure are trays comprising primary gas distribution means, in this case identical to the primary gas distribution means of the tray 42 of Figure 2.
  • This configuration makes it possible to promote gas-solid contact for each of the trays of the multiple-hearth furnace, and thus to obtain better efficiency of the multiple-hearth furnace with regard to the heat transfer between the gas and the solid.
  • Figure 5 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, an evolution of the variant of Figure 4, in all respects identical to this variant (thus, the common elements will not be described again), with the exception of the presence of a valve 53 along each conduit 61 of the gas supply circuit 60, 61 external to the furnace.
  • This configuration makes it possible to control the injection of gas into the enclosure 30 independently from one tray to another, depending for example on the results of control measurements of the process implemented. work, such as measurements of gas flow, temperature, pressure, gas composition, etc.
  • FIG. 6 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a fourth variant of the embodiment of Figure 2, identical in every way to this first embodiment (thus, the common elements will not be described again), with the exception of the fact that a bed of particles 54 is arranged on the surface of the perforated plate 42 and is surmounted by a grid 55 on which the solid to be heat treated is distributed.
  • the bed of particles makes it possible to increase the pressure drop above the perforated plate and thus to improve the gas distribution over the entire surface of the plate.
  • the grid makes it possible to prevent the particles of the bed of particles from being carried away by the gas flow and from mixing with the particles of solid circulating on the plates. In addition, the grid makes it possible to contribute to a more homogeneous distribution of the gas.
  • Figure 7 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a fifth variant of the embodiment of Figure 2, identical in every way to this first embodiment (thus, the common elements will not be described again), with the exception of the fact that the means for circulating the gas comprise secondary gas distribution means, in the form of an opening 33 arranged above the lower plate (in this case the perforated plate 42) of the furnace, allowing an additional gas supply via the conduit 55 connected to the gas supply circuit 60, 61 external to the furnace.
  • These secondary gas distribution means make it possible to supplement the primary gas distribution means associated with the plate 42, for better adaptation to the specificities of the variety of industrial processes. It is also possible to connect the conduit 55 to a dedicated secondary gas circulation line, different from the line of the primary gas supply circuit 60.
  • Figure 8 illustrates, in a schematic and non-limiting manner, a second embodiment of the multiple-hearth furnace according to the invention, in co-current operation.
  • This second embodiment is identical in every respect to the first embodiment (thus, the common elements will not be described again), except that in this design, the means for circulating the gas in the enclosure 30 comprise an opening 32 arranged in a part of a side wall of the enclosure 30 located under the lower plate (in this case the perforated plate 42) of the furnace, to allow the evacuation of the gas in a co-current operation of the furnace.
  • the variants of Figures 3 to 7 can be combined with the embodiment of Figure 8.
  • the invention further relates to a method for drying and/or roasting a biomass feedstock implemented using the multiple-hearth oven as described above according to any of its variants.
  • This application example aims to compare the heating rate of a biomass-type material placed on a tray of a multiple-hearth furnace according to the prior art (i.e. with tangential gas injection) described in FIG. 1, and the heating rate of a biomass-type material placed on a tray associated with primary gas distribution means of a multiple-hearth furnace according to the invention.
  • Heating rates are estimated by means of numerical simulations performed with the CPFD BarracudaTM software.
  • the geometric data of the simulation and the operating/limiting conditions are indicated below:
  • Characteristics of the enclosure cylinder 1 m in diameter and 1 m in height, comprising an opening for the gas outlet in the form of a cylindrical tube 0.17 m in diameter and 0.1 m in height fitted into the upper wall of the cylindrical enclosure, this opening being placed under atmospheric conditions;
  • the oven is maintained at a constant temperature of 150°C;
  • the enclosure of the multiple-hearth furnace according to the prior art comprises 3 tangential gas injection cylinders of 0.1 m in diameter located 0.3 m above the tray considered.
  • the perforated tray of the multiple-hearth furnace according to the invention comprises 21 orifices distributed uniformly on the tray, corresponding to a number of orifices per m 2 of tray of approximately 27.
  • the gas used is nitrogen at 280°C.
  • the total inlet gas flow rate is 0.13 kg/s, representing a superficial gas velocity in the furnace of 0.3 m/s.
  • a layer of biomass with a height of 0.2 m is arranged above the tray of the multiple-hearth furnace according to the prior art and the perforated tray of the multiple-hearth furnace according to the invention.
  • the biomass particles have an average diameter of 2 cm and an initial temperature of 20°C.
  • FIG. 9A shows the evolution over time t of the average temperature (respectively the heating rate) of the biomass particles in the case of the multiple-hearth furnace according to the prior art (curve and scale TAA; respectively curve and VAA scale) and the multiple-hearth furnace according to the invention (curve and scale Tl NV; respectively curve and scale VINV).
  • a much faster temperature rise can be observed in the case of the multiple-hearth furnace according to the invention, which makes it possible to increase the heating rate by a factor of 600 compared to the multiple-hearth furnace according to the prior art.
  • Such an increase in the heating rate not only makes it possible to reduce the production time, but also the energy consumption of the furnace.
  • the multiple-hearth furnace according to the invention allows a more homogeneous distribution of the gas on the surface of a tray comprising primary gas distribution means, which allows better contact between the gas and the solid placed on this tray, and thus greater efficiency of the industrial processes using such a furnace.

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Abstract

L'invention concerne un four à soles multiples pour mettre en contact un solide et un gaz comprenant une enceinte (30), une pluralité de plateaux (41,42) distribués le long de l'axe longitudinal (AA) de l'enceinte (30), des moyens pour faire circuler le solide dans l'enceinte (45, 46), des moyens pour faire circuler le gaz (31, 32, 33, 45, 46, 43, 50, 51, 52) dans l'enceinte (30) comprenant une première ouverture (32) pour évacuer le gaz de l'enceinte (30) et des premiers moyens de distribution de gaz (31, 43, 50, 51, 52) associés à au moins un des plateaux (42), les premiers moyens de distribution de gaz (31, 43, 50, 51, 52) comprenant une pluralité d'orifices (43) aménagés dans le plateau (42) considéré, une boite à vent (50) disposée sous le plateau (42), et des moyens pour alimenter en gaz la boite à vent (31, 51, 52).

Description

FOUR A SOLES MULTIPLES POUR METTRE EN CONTACT UN SOLIDE ET UN GAZ
Domaine technique
L’invention concerne le domaine des fours à soles multiples (en anglais « multiple hearth furnace ») pour mettre en contact un solide avec un gaz.
De manière générale, les fours à soles multiples peuvent être mis en œuvre dans différents types de procédés, incluant de manière non limitative l’incinération de déchets, la calcination pour la fabrication des ciments par exemple, la régénération de charbon actif, ou encore le prétraitement de la biomasse.
Plus particulièrement dans le domaine des procédés de transformation de la biomasse, l’objectif est de produire des biocarburants avancés (biogazole et biokérosène) par conversion thermochimique de la biomasse lignocellulosique. Les différentes étapes de ce procédé sont notamment (i) le prétraitement, (ii) la gazéification, (iii) le conditionnement du gaz de synthèse et (iv) la synthèse Fisher-Tropsch.
La première étape de prétraitement de la biomasse est réalisée afin de préparer la biomasse à sa future injection dans le gazéifieur. Cette étape consiste en le séchage et la dégradation thermique douce du bois appelée torréfaction. Ce prétraitement nécessite un apport de chaleur important pour, tout d'abord élever la température de la biomasse à un niveau adéquat pour la phase de séchage, ensuite éliminer l'eau présente dans la biomasse, enfin élever et maintenir la température de la biomasse sèche à un niveau adéquat pour l'opération de torréfaction. Cet apport de chaleur se fait généralement par contact de la biomasse avec un flux de gaz chaud. Cette étape de prétraitement peut en particulier être réalisée au moyen d’un four à soles multiples. Les fours à soles multiples peuvent alors servir de sécheurs et/ou de torréfacteurs.
Technique antérieure
La figure 1 présente un exemple de four à soles multiples pour mettre en contact un matériau solide avec un gaz selon l’art antérieur, décrit en tant que tel dans la demande de brevet US2016356548A. Selon cette réalisation, le four (10) est constitué d’un cylindre fermé (11), (12) et (13) comportant 8 plateaux (1) à (8). Un arbre central (15) disposé dans le cylindre est apte à être mis en rotation par un mécanisme (17) autour de l’axe vertical (16). L’arbre permet de mettre en rotation des bras (18), solidaires à l’arbre, comportant des dents (19), les bras étant disposés au-dessus des plateaux. Lors de la rotation de l’arbre, les dents sont mises en mouvement et, en fonction de leur orientation, viennent déplacer le solide soit vers l’intérieur ou soit vers l’extérieur du plateau. Le solide est introduit en tête du four par un conduit (20) et circule vers le bas, de plateau en plateau, soit par les trous extérieurs (222), (224), (226) et (228) ou par les trous centraux (211), (213), (215) ou (217), avant de quitter le réacteur par un conduit de sortie (24). Le gaz, apportant sa chaleur au solide, est introduit tangentiellement soit en pied du four (mouvement à contre-courant du solide via les orifices 27), soit en tête de four (mouvement à co-courant) et circule à travers les mêmes trous centraux ou périphériques sur chaque plateau. Pendant son cheminement, le gaz cède alors sa chaleur au solide pour réaliser le traitement thermique. Toutefois, le contact entre gaz et solide n’est pas optimal, car le gaz est injecté tangentiellement et vient lécher la surface du solide. La chaleur apportée par le gaz au solide se transfère donc par convection à la surface puis par conduction dans la couche de solide. Afin de favoriser les transferts de chaleur et de matière, la demande de brevet US2016356548 propose de placer des baffles verticaux au-dessus de chaque plateau afin d’augmenter le temps de séjour du gaz et ainsi le temps de contact entre le gaz et le solide. Ce phénomène tend à améliorer les performances du four, mais de manière insuffisante.
On connait aussi le document US4050389A, qui concerne un procédé et un dispositif d’incinération des déchets dans un four à soles multiples. Plus précisément, ce document décrit des moyens permettant d’introduire de l’air de manière classique, c’est-à-dire au niveau de la base du four, mais également au niveau des différents plateaux, avec l’objectif d’ajouter suffisamment d’air au niveau de chaque plateau pour maintenir la température sous une limite maximale prédéterminée. Les moyens pour introduire l’air au niveau des plateaux sont sous la forme de buses disposées sur une face latérale du four, au-dessus de chaque plateau. Une telle configuration permet une injection du gaz à différents niveaux du four mais présente l’inconvénient d’avoir une mise en contact limitée entre le solide et le gaz. En effet, dans cette conception, qui a pour objectif un contrôle optimal de l’incinération, le gaz ne pénètre pas au travers du lit de solide, ce qui limite le transfert de chaleur et de matière. On connait également le document US2376177A qui concerne un four à soles multiples comprenant un arbre central rotatif portant des bras au niveau de chaque plateau sur lequel se trouve le matériau solide, lesdits bras étant creux et formés d’ouvertures pour décharger le gaz sur le matériau. Une telle configuration permet une injection du gaz à différents niveaux du four mais présente l’inconvénient d’injecter le gaz au-dessus du solide, et donc d’avoir une mise en contact limitée entre le solide et le gaz car le gaz ne pénètre pas dans le lit de solide.
On connaît en outre le document US2014298716 qui concerne une installation de traitement de biomasse sous la forme d'un four à soles multiples, comprenant un système d'injection de gaz au niveau de chaque plateau mais avec des ouvertures au niveau des parois latérales du four. De manière optionnelle, afin de mieux contrôler la température et l'homogénéiser, le système d'injection peut être couplé à un système d'optimisation des échanges thermiques, par exemple sous la forme d’un caloduc reliant la paroi latérale du four et chaque plateau. Toutefois, même dans ce mode de réalisation, l’injection du gaz est réalisée au niveau de la paroi latérale de l’enceinte, ce qui ne permet pas une distribution homogène. Ce document décrit en outre des moyens pour favoriser le mouvement de rotation dans le four, au moyen d’une canne, d’une plaque métallique formant un déflecteur ou d’une ouverture particulière. Dans tous les cas, ces modes de réalisation visent à une diffusion de la chaleur vers le centre de la chambre du four, mais ne favorisent pas une mise en contact entre le solide et le gaz de manière homogène sur le plateau.
On connait également le document GB941635A qui concerne un four à soles multiples pour une régénération de charbon actif, comprenant des moyens pour introduire de l’air supplémentaire dans le four au niveau d’une pluralité de points. Toutefois, les solutions techniques divulguées présentent des tubes à air disposés au moins au-dessus des plateaux du four. Une telle configuration présente l’inconvénient d’injecter le gaz au-dessus du solide, et donc d’avoir une mise en contact limitée entre le solide et le gaz. Dans le cas où les tubes à air seraient disposés en-dessous des plateaux du four, cela ne permettrait pas une mise en contact entre le solide et le gaz homogène sur le plateau.
La présente invention permet de pallier ces inconvénients. En particulier, la présente invention vise à améliorer le contact entre le gaz et le solide lors de l’injection du gaz dans le four, via une distribution du gaz homogène sous la couche de solide pour au moins un des plateaux du four. Cela contribue à une plus grande efficacité des procédés industriels mettant en œuvre des fours à soles multiples pour mettre en contact un solide et un gaz.
Résumé de l’invention
La présente invention concerne un four à soles multiples pour mettre en contact un solide et un gaz, ledit four comprenant une enceinte d’axe longitudinal vertical en position de service, une pluralité de plateaux disposés dans ladite enceinte et distribués le long dudit axe longitudinal, des moyens pour faire circuler le solide dans ladite enceinte, et des moyens pour faire circuler le gaz dans ladite enceinte comprenant au moins une première ouverture aménagée dans une paroi de ladite enceinte pour évacuer le gaz de ladite enceinte.
Selon l’invention, lesdits moyens pour faire circuler le gaz dans ladite enceinte comprennent en outre des premiers moyens de distribution de gaz dans ledit four associés à au moins un desdits plateaux, lesdits premiers moyens de distribution de gaz associés à au moins un desdits plateaux comprenant une pluralité d’orifices aménagés dans ledit au moins un plateau, une boite à vent disposée sous ledit au moins un plateau et en communication fluidique avec ledit plateau, et des moyens pour alimenter en gaz ladite boite à vent.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits premiers moyens de distribution de gaz dans ledit four peuvent être associés à chacun desdits plateaux dudit four.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le nombre d’orifices dudit au moins un plateau associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz peut être compris entre 5 et 60 par m2, préférentiellement entre 8 et 40 par m2, et très préférentiellement entre 10 et 30 par m2.
Selon une mise en œuvre de l’invention, un lit de particules peut être disposé sur une surface dudit au moins un plateau associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdites particules dudit lit de particules peuvent être des particules de sable, des billes de verre concassé ou des billes de verre brutes, des particules formées à base de zéolithe naturelle ou synthétique, à base d'alumine, ou à base de résines ou de plastique.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lorsque ledit solide se présente sous la forme de particules, lesdits orifices dudit au moins un plateau associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz peuvent être dimensionnés de manière à respecter un critère prédéfini et exprimé selon une formule du type : àPP = a. àPs dans laquelle APP est la perte de charge du gaz en sortie desdits orifices aménagés dans ledit plateau, APS est la perte de charge du gaz en sortie dudit solide sous la forme de particules disposées sur ledit plateau, et a est un coefficient de proportionnalité compris entre 0,01 et 0,7, préférentiellement entre 0,05 et 0,5 et plus préférentiellement entre 0,1 et 0,4.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits orifices dudit au moins un plateau associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz peuvent être dimensionnés pour permettre une vitesse de gaz dans lesdits orifices comprise entre 0,1 et 20 m/s, préférentiellement entre 0,5 et 10 m/s, et très préférentiellement entre 0,8 et 5 m/s.
Selon une mise en œuvre de l’invention, ledit four peut comporter en outre des deuxièmes moyens de distribution de gaz dans ledit four, comportant au moins une ouverture aménagée dans une paroi de ladite enceinte et configurés pour une alimentation en gaz directement dans ladite enceinte.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits premiers moyens de distribution de gaz associés à au moins un desdits plateaux peuvent comprendre une deuxième ouverture aménagée dans une paroi de ladite enceinte, un conduit muni optionnellement d’une vanne ou d’un clapet anti-retour, ledit conduit reliant ladite deuxième ouverture à un circuit extérieur d’alimentation en gaz.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits moyens pour faire circuler le solide dans ladite enceinte peuvent comprendre un arbre passant par ledit axe longitudinal de ladite enceinte pour mettre en rotation des moyens pour déplacer le solide sur chacun desdits plateaux, lesdits moyens pour déplacer le solide sur chacun desdits plateaux pouvant comprendre un bras de raclage.
Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdits moyens pour faire circuler le solide dans ladite enceinte peuvent comprendre des ouvertures aménagées sur lesdits plateaux, lesdites ouvertures aménagées sur lesdits plateaux pouvant être configurées de manière à ce que lesdits plateaux présentent alternativement soit une ouverture centrale soit une ouverture périphérique pour permettre un cheminement du solide d’un plateau à un autre lorsque ledit four est en fonctionnement.
L’invention concerne en outre un procédé de séchage et/ou de torréfaction d’un solide du type d’une charge biomasse, ledit procédé étant mis en œuvre au moyen du four à soles multiples selon l’un quelconque des modes de réalisation décrits ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages du four à soles multiples et du procédé selon l’invention, apparaitront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Liste des figures
La figure 1 présente un exemple de four à soles multiples pour mettre en contact un matériau solide avec un gaz selon l’art antérieur.
La figure 2 illustre de manière schématique et non limitative un premier mode de réalisation du four à soles multiples selon l'invention, dans un fonctionnement à contre-courant.
La figure 3 illustre, de manière schématique et non limitative, une première variante du mode de réalisation de la figure 2.
La figure 4 illustre, de manière schématique et non limitative, une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 2.
La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, une évolution de la variante de la figure 4.
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, une quatrième variante du mode de réalisation de la figure 2. La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, une cinquième variante du mode de réalisation de la figure 2.
La figure 8 illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation du four à soles multiples selon l'invention, dans un fonctionnement à co-courant. La figure 9A (respectivement figure 9B) présente l’évolution dans le temps de la température moyenne (respectivement de la vitesse de chauffe) des particules de biomasse dans le cas du four à soles multiples selon l’art antérieur et du four à soles multiples selon l’invention.
Description des modes de réalisation
La présente invention concerne un four à soles multiples pour mettre en contact un solide dans un flux d’un gaz.
Le solide selon l’invention peut être tout type de solide, comme par exemple une poudre d’un mélange de calcaire, d'argile et de sable, du minerai, du plastique ou bien une charge biomasse.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention selon laquelle le système est mis en œuvre dans le cadre d’un procédé de séchage et/ou de torréfaction d’une biomasse, le solide peut correspondre à une charge biomasse. La charge biomasse peut avantageusement varier selon son origine. Elle peut être du bois ou des sous-produits du bois, tels que les déchets produits par l'exploitation forestière (rémanents forestiers), les scieries, les industries de transformation du bois. Elle peut aussi provenir des sous-produits de l'industrie tels que les boues ou les déchets agroalimentaires. La biomasse peut aussi être issue de l'agriculture traditionnelle et être constituée de résidus tels que la paille, des taillis, la bagasse, ainsi que des cultures dédiées à vocation énergétique (miscanthus, taillis à courte rotation...). Enfin, elle peut correspondre à des déchets organiques, tels que les déchets urbains comprenant les boues d'épuration, les ordures ménagères peuvent également constituer la charge. De préférence, la charge biomasse peut être la biomasse lignocellulosique ou la cellulose, et de manière préférée la biomasse lignocellulosique. La charge biomasse peut aussi provenir d’algues. La charge peut être composée de particules solides. En particulier lorsque le solide selon l’invention correspond à une charge biomasse, il peut contenir une certaine teneur en eau.
Le gaz selon l’invention peut être, en fonction de l’application visée, de l’air mais également des gaz de combustion recyclés, du dioxyde de carbone, de la vapeur d’eau, ou bien un gaz inerte tel que de l’hélium ou de l’azote.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention selon laquelle le système est mis en œuvre dans le cadre d’un procédé de séchage et/ou de torréfaction d’une biomasse, le gaz peut être un gaz inerte tel que de l’hélium, de l’azote, ou un mélange de ces gaz avec des gaz recyclés issus d’une étape de séchage et/ou de torréfaction antérieures. Selon une mise en œuvre de l’invention selon laquelle le système est mis en œuvre dans le cadre d’un procédé de torréfaction d’une biomasse, le gaz peut être en outre de la vapeur d’eau.
Selon l’invention, le four à soles multiples comprend une enceinte dont l’axe longitudinal, en position de service (c'est-à-dire lors de l'utilisation du dispositif), est orienté verticalement. Selon l’invention, une pluralité de plateaux (appelés aussi soles) sont disposés (de manière radiale) le long de cet axe longitudinal. Les plateaux (ou au moins leur plan médian) sont donc, en position de service du four à soles multiples, sensiblement horizontaux.
Le four à soles multiples selon l’invention comprend des moyens pour faire circuler le solide dans l’enceinte. Il est bien clair que le solide circule, en position de service, du haut de l’enceinte vers le bas de l’enceinte, par gravité.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens pour faire circuler le solide peuvent comporter une première ouverture aménagée dans l’enceinte au-dessus du plateau supérieur du four à soles multiples (le terme "supérieur" est pris par référence à la position de service), et une deuxième ouverture aménagée dans l’enceinte en-dessous du plateau inférieur du four à soles multiples (le terme "inférieur" est pris par référence à la position de service). Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens pour faire circuler le solide peuvent comprendre des ouvertures aménagées sur les plateaux, pour permettre au solide de passer d’un plateau à un autre. Selon une mise en œuvre de l’invention, les ouvertures des plateaux sont configurées de manière à ce que les plateaux présentent alternativement soit une ouverture centrale, soit une ouverture périphérique pour permettre un cheminement du solide d’un plateau à un autre lorsque le four est en fonctionnement. Avantageusement, les moyens pour faire circuler le solide peuvent comprendre un arbre passant par l’axe longitudinal de l’enceinte pour mettre en rotation des moyens pour déplacer le solide sur chacun des plateaux. Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens pour déplacer le solide sur chacun des plateaux peuvent comporter un bras de raclage, par exemple un bras muni de dents.
Le four à soles multiples selon l’invention comprend des moyens pour faire circuler le gaz dans l’enceinte, comprenant des moyens de distribution de gaz primaires associés (ou encore dédiés, ou encore propres, ou encore relatifs) à au moins un des plateaux du four à soles multiples. Autrement dit, au moins un des plateaux du four à soles multiples comportent (ou encore est associé à) des moyens de distribution de gaz primaires (ou encore des moyens de distribution primaires de gaz). Les moyens de distribution de gaz primaires associés à au moins un plateau comprennent une pluralité d’orifices aménagés dans ce plateau, au moins une boîte à vent (« windbox » en anglais) disposée sous ce plateau et en communication fluidique avec ledit plateau (c’est- à-dire que la boite à vent et le plateau sont configurés pour autoriser le passage du gaz primaire entre la boite à vent et le plateau), et des moyens pour alimenter en gaz la boîte à vent. Ainsi, lors de son injection, le gaz remplit au préalable la boîte à vent avant de pénétrer et traverser uniformément l’épaisseur du solide se trouvant sur la partie supérieure du plateau comportant une pluralité d’orifices. Cette configuration permet de forcer le gaz à traverser le solide, ce qui favorise le contact gaz-solide et permet un meilleur transfert de chaleur et de matière entre gaz et solide au niveau du ou des plateaux comportant des moyens de distribution de gaz primaires. Par la suite, on parle de plateau perforé pour désigner un plateau du four à soles multiples comportant une pluralité d’orifices.
Par boîte à vent, on entend une chambre destinée à être raccordée à des moyens d’alimentation en gaz et comprenant une pluralité d’ouvertures destinées à la distribution du gaz. Ainsi, une boîte à vent permet une homogénéisation du gaz introduit dans la chambre et une stabilisation de la pression du gaz dans la chambre, avant sa distribution. Il est bien clair que la boîte à vent selon l’invention associée à un plateau est alimentée en gaz par les moyens pour alimenter en gaz des moyens de distribution de gaz primaires selon l’invention.
Très préférentiellement, le toit (autrement dit la face supérieure) de la boîte à vent selon l’invention peut coïncider avec le plateau perforé auquel elle est associée. Ainsi, les orifices du plateau perforé permettent la distribution, au-dessus du plateau perforé, du gaz contenu dans la boîte à vent.
Selon une mise en œuvre de l’invention, la base (autrement dit la face inférieure) de la boîte à vent associée à un plateau perforée peut s’étendre jusqu’aux parois de l’enceinte du four à soles multiples. La chambre de la boîte à vent selon cette mise en œuvre, lorsqu’elle est combinée avec la variante très préférée selon laquelle le toit de la boite à vent coïncide avec le plateau perforé auquel elle est associée, est alors formée par le plateau perforé, la base, et les parois de l’enceinte du four à soles multiples. La boîte à vent selon cette conception peut être alimentée en gaz par une ouverture aménagée dans une paroi de l’enceinte entre la base de la boîte à vent et le plateau perforé. La base d’une boîte à vent peut avoir une forme quelconque, comme par exemple une plaque plane ou incurvée.
De préférence, une pluralité de plateaux du four à soles multiples peut comporter des moyens de distribution de gaz primaires, et de manière très préférée, l’ensemble des plateaux du four à soles multiples comportent des moyens de distribution de gaz primaires. De cette façon, le transfert de matière et de chaleur entre gaz et solide est optimisé sur toute la hauteur du four à soles multiples.
Selon l’invention, les moyens pour faire circuler le gaz comprennent en outre au moins une ouverture aménagée dans l’enceinte pour permettre l’évacuation du gaz. Avantageusement, cette ouverture est soit aménagée au-dessus du plateau supérieur du four à soles multiples dans le cas d’une circulation de gaz à contre-courant (le terme "supérieur" est pris par référence à la position de service), soit aménagée en-dessous du plateau inférieur du four à soles multiples (le terme "inférieur" est pris par référence à la position de service) dans le cas d’une circulation à co-courant.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens pour alimenter en gaz la boîte à vent d’au moins un des plateaux associés à des moyens de distribution de gaz primaires peuvent comprendre au moins une ouverture aménagée dans l’enceinte du four. Selon une mise en œuvre de l’invention, l’ouverture aménagée dans l’enceinte pour alimenter la boîte à vent d’au moins un des plateaux associés à des moyens de distribution de gaz primaires peut être reliée à un conduit qui peut être lui-même relié à un circuit d’alimentation en gaz (extérieur au four à soles multiples selon l’invention), optionnellement au moyen d’une vanne 2 voies, d’un clapet anti-retour, ou de moyens de régulation de débit de gaz. Une vanne 2- voies, un clapet anti-retour, ou des moyens de régulation de débit de gaz, propres à chaque plateau associé à des moyens de distribution de gaz primaires, permettent de contrôler l’injection de gaz d’un plateau par rapport à un autre. Cela permet une meilleure adaptation aux spécificités de la variété des procédés industriels mettant en œuvre des fours à soles multiples tels que décrits ci-dessus. En particulier, les moyens de régulation du débit de gaz (comme par exemple un ventilateur, une vanne papillon ou une vanne à pointeau), permettent d’injecter une quantité de gaz distincte d’un plateau à un autre, pour une plus grande flexibilité.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens pour faire circuler le gaz dans le four peuvent comprendre en outre des moyens de distribution de gaz secondaires, en plus des moyens de distribution de gaz primaires selon l’invention. Ces moyens d’injection de gaz secondaires (ou encore additionnels) peuvent prendre toute forme des moyens de distribution de gaz selon l’art antérieur. Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens de distribution de gaz secondaires peuvent comprendre une ouverture aménagée dans une paroi de l’enceinte et configurés pour une alimentation en gaz directement dans l’enceinte (contrairement aux moyens de distribution de gaz primaires qui alimente préalablement une boîte à vent). Selon une mise en œuvre de l’invention, les moyens de distribution de gaz secondaires peuvent comprendre une ouverture aménagée dans l’enceinte en-dessous du plateau inférieur du four à soles multiples dans le cas d’une circulation de gaz à contre- courant (le terme "inférieur" est pris par référence à la position de service), soit aménagée au-dessus du plateau supérieur du four à soles multiples (le terme "supérieur" est pris par référence est pris par référence à la position de service) dans le cas d’une circulation à cocourant. Ces moyens de distribution de gaz secondaires permettent de compléter les moyens de distribution de gaz primaires selon l’invention, pour une plus grande flexibilité du four à soles multiples, en particulier une meilleure adaptation aux spécificités de la variété des procédés industriels mettant en œuvre des fours à soles multiples tels que décrits ci- dessus.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les orifices d’au moins un des plateaux associés aux moyens de distribution de gaz primaires sont distribués de manière régulière sur le plateau, c’est-à-dire avec un nombre constant d’orifices par unité de surface. Avantageusement, le nombre d’orifices d’au moins un des plateaux perforés peut être compris entre 5 et 60 par m2, préférentiellement entre 8 et 40 par m2, et très préférentiellement entre 10 et 30 par m2. De telles distributions d’orifices contribuent à une distribution homogène du gaz sur la partie supérieure du ou des plateaux perforés.
Avantageusement, lorsque le solide se présente sous la forme de particules, les orifices d’au moins un des plateaux associés aux moyens de distribution de gaz primaires ont des dimensions inférieures aux dimensions des particules du solide, afin d’éviter le phénomène de pleurage (particules qui tombent dans les trous d’injection).
Selon une mise en œuvre de l’invention, les orifices d’au moins un des plateaux associés aux moyens de distribution de gaz primaires sont dimensionnés pour permettre une vitesse de gaz dans chacun des orifices comprise entre 0,1 et 20 m/s, préférentiellement entre 0,5 et 10 m/s, et très préférentiellement entre 0,8 et 5 m/s.
Selon une mise en œuvre de l’invention, les orifices d’au moins un des plateaux associés aux moyens de distribution de gaz primaires peuvent être dimensionnés de manière à respecter un critère prédéfini relatif à la perte de charge du gaz passant à travers les orifices de distribution du plateau considéré, et à la perte de charge du gaz passant à travers le solide disposé sur le plateau considéré. Selon une mise en œuvre de l’invention, lorsque le solide se présente sous la forme de particules solides et lorsque le nombre d’orifices d’au moins un des plateaux perforés est compris entre 5 et 60 par m2, préférentiellement entre 8 et 40 par m2, et très préférentiellement entre 10 et 30 par m2, les orifices d’au moins un des plateaux associés aux moyens de distribution de gaz primaires sont dimensionnés de manière à respecter un critère prédéfini exprimé selon une formule du type : Pp = a. PS dans laquelle PP est la perte de charge du gaz passant à travers les orifices de distribution du plateau considéré, APS est la perte de charge du gaz passant à travers le solide, notamment lorsqu’il se présente sous la forme de particules, disposé sur le plateau considéré, et a est un coefficient de proportionnalité compris entre 0.01 et 0.7, préférentiellement entre 0.05 et 0.5 et plus préférentiellement entre 0.1 et 0.4. Selon une mise en œuvre particulière, le coefficient de proportionnalité a peut être égal à 0.3. Lorsque le solide se présente sous la forme de particules, le solide peut alors prendre la forme d’un lit de particules, et la perte de charge au travers du solide peut alors être fonction de la hauteur et de la porosité du lit de particules solides. Il est bien clair pour un homme du métier que de telles gammes pour le coefficient de proportionnalité a, combinées à un nombre d’orifices par m2 défini selon les gammes précitées, sont suffisantes pour permettre à un homme du métier de dimensionner les orifices d’un plateau distributeur de gaz sur lequel seraient disposées des particules de solide.
Selon une mise en œuvre de l’invention, l'enceinte du four à soles multiples peut être de forme cylindrique ou parallélépipédique. Selon cette mise en œuvre, les ouvertures pour l’entrée et la sortie du solide de l’enceinte peuvent être avantageusement disposées respectivement dans la paroi supérieure et dans la paroi inférieure de l’enceinte. Avantageusement, la section de l'enceinte peut être constante le long de l’axe longitudinal. Selon une mise en œuvre de l’invention selon laquelle l’enceinte est de forme cylindrique, le diamètre de l'enceinte peut varier entre 80 cm et 120 cm de diamètre intérieur, préférentiellement entre 90 et 110 cm de diamètre intérieur, et peut valoir très préférentiellement 1m, et la hauteur de l’enceinte peut varier entre 80 cm et 120 cm, préférentiellement entre 90 et 110 cm, et peut valoir très préférentiellement 1m. De telles dimensions sont classiques pour des fours à soles multiples mis en œuvre dans les procédés industriels tels que décrits ci-dessus.
Selon une mise en œuvre de l’invention, le matériau des différents éléments (enceinte, plateaux, boîte à vent, etc.) du four à soles multiples peut être de la céramique, un métal de préférence résistant à la corrosion, en particulier tout type d’acier inoxydable. Ces matériaux sont en effet résistants aux très fortes températures et aux composés acides impliqués lors de la mise en œuvre de procédés utilisant ce type de fours, et limitent les composés extractibles pouvant migrer dans le solide et/ou dans le gaz.
Selon une mise en œuvre préférée de l’invention, le four à soles multiples comprend un lit de particules disposées sur la surface d’au moins un des plateaux perforés, de préférence sur la surface de chacun des plateaux perforés du four à soles multiples. Le lit de particules va augmenter la perte de charge au-dessus du plateau perforé et ainsi améliorer la répartition gazeuse sur toute la surface du ou des plateaux perforés. Avantageusement, le lit de particules est surmonté par une grille, de manière à ce qu’elles ne soient pas emportées par le flux de gaz provenant des plateaux perforés. De plus, une telle grille peut aussi permettre une distribution plus homogène du gaz, améliorant ainsi le contact gaz-solide. Il est bien clair que la taille des ouvertures de la grille doit être à la fois inférieure à la taille des particules du lit de particules et inférieure à la taille des particules de la charge solide.
Selon une mise en œuvre de l'invention, les particules d'un lit peuvent être tout type de particules non réactives (ou encore inertes) au gaz et/ou présentant une conductivité thermique importante (pour favoriser le transfert de chaleur dans le solide), comme par exemple des particules de sable, ou encore des billes de verre concassé ou des billes de verre brutes, des particules formées à base de zéolithe naturelle ou synthétique, à base d'alumine, ou encore à base de résines ou de plastique. Les matériaux cités ci-dessus présentent en effet les avantages d'être facilement accessibles dans le commerce et d’avoir des propriétés thermiques et mécaniques avantageuses (conductivité thermique importante et bonne résistance à l’attrition). Selon une mise en œuvre de l'invention, la hauteur du lit de particules peut être supérieure à 50% de l’espacement entre la base du plateau et la partie inférieure des moyens pour déplacer le solide sur le plateau considéré (par exemple, dans le cas d'un bras muni de dents, la partie inférieure des moyens pour déplacer le solide sur le plateau considéré correspond à la base des dents), préférentiellement supérieure à 60% et plus préférentiellement supérieure à 70%. Avantageusement, la granulométrie des particules d'un lit peut être supérieure aux dimensions des orifices du plateau considéré.
La figure 2 illustre, de manière schématique et non limitative, un premier mode de réalisation du four à soles multiples selon l'invention, dans un fonctionnement à contre-courant. Plus précisément cette figure présente un four à soles multiples comprenant une enceinte 30 traversée par un arbre central 36 entrainé en rotation R par rapport à l’axe longitudinal AA de l’enceinte et qui est disposé selon l’axe vertical lorsque le four est en fonctionnement. Le four à soles multiples comprend quatre plateaux 41, 42 disposés le long de l'axe longitudinal. Selon cette réalisation, les plateaux 41, 42 sont équipés soit d’un trou central 45 soit d’un trou périphérique 46, et ce de manière alternative d’un plateau à un autre le long de l’axe longitudinal, pour permettre le passage de la charge solide d’un plateau à un autre (ouvertures dans l’enceinte pour le passage de la charge solide non représentées). Les moyens pour faire circuler le gaz dans l’enceinte 30 selon cette conception comprennent des moyens de distribution de gaz primaires associés à un unique plateau, en l’espèce le plateau 42 situé le plus bas dans l’enceinte 30. Les moyens de distribution de gaz primaires associés au plateau 42 comprennent des orifices 43 répartis de manière homogène sur le plateau 42, une boite à vent 50 disposée sous le plateau 42, la boite à vent 50 étant reliée à un circuit d’alimentation en gaz 60, 61 externe au four au moyen d’un conduit 52 reliant l’ouverture 51 aménagée dans la boîte à vent et l’ouverture 31 aménagée dans la paroi latérale de l'enceinte. Les moyens pour faire circuler le gaz dans l’enceinte 30 selon cette conception comprennent en outre une ouverture 32 aménagée dans la paroi supérieure de l'enceinte pour permettre l'évacuation du gaz dans un fonctionnement à contre-courant. Ainsi, lors de son injection, le gaz remplit au préalable la boîte à vent 50 du plateau perforé 42 avant de pénétrer et traverser uniformément l’épaisseur du solide (non représenté) se trouvant sur la partie supérieure du plateau perforé 42. Cette configuration permet de forcer le gaz à traverser le solide, ce qui favorise le contact gaz-solide et permet un meilleur transfert de chaleur et de matière entre gaz et solide au niveau du plateau perforé.
La figure 3 illustre, de manière schématique et non limitative, une première variante du mode de réalisation de la figure 2, en tout point identique à ce premier mode (ainsi, les éléments communs ne seront pas décrits à nouveau), à l'exception de la présence d’une vanne 53 le long du conduit 61 du circuit d’alimentation en gaz 60, 61 externe au four, de manière à être en mesure de contrôler l’injection du gaz dans l’enceinte 30.
La figure 4 illustre, de manière schématique et non limitative, une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 2, en tout point identique à ce premier mode (ainsi, les éléments communs ne seront pas décrits à nouveau), à l'exception du fait que tous les plateaux 42 de l’enceinte sont des plateaux comportant des moyens de distribution de gaz primaires, en l’espèce identiques aux moyens de distribution de gaz primaires du plateau 42 de la figure 2. Cette configuration permet de favoriser le contact gaz-solide pour chacun des plateaux du four à soles multiples, et ainsi d’obtenir un meilleur rendement du four à soles multiples en ce qui concerne le transfert de chaleur entre le gaz et le solide.
La figure 5 illustre, de manière schématique et non limitative, une évolution de la variante du de la figure 4, en tout point identique à cette variante (ainsi, les éléments communs ne seront pas décrits à nouveau), à l'exception de la présence d’une vanne 53 le long de chaque conduit 61 du circuit d’alimentation en gaz 60, 61 externe au four. Cette configuration permet de contrôler l’injection du gaz dans l’enceinte 30 de manière indépendante d’un plateau à un autre, en fonction par exemple de résultats de mesures de contrôle du procédé mis en œuvre, tels que des mesures de débit gaz, de température, de pression, de composition gazeuse etc.
La figure 6 illustre, de manière schématique et non limitative, une quatrième variante du mode de réalisation de la figure 2, en tout point identique à ce premier mode (ainsi, les éléments communs ne seront pas décrits à nouveau), à l'exception du fait qu’un lit de particules 54 est disposé sur la surface du plateau perforé 42 et est surmonté par une grille 55 sur laquelle est réparti le solide à traiter thermiquement. Le lit de particules permet d’augmenter la perte de charge au-dessus du plateau perforé et ainsi d’améliorer la répartition gazeuse sur toute la surface du plateau. La grille permet d’empêcher que les particules du lit de particules ne soient emportées par le flux de gaz et qu’elles se mélangent aux particules de solide circulant sur les plateaux. De plus, la grille permet de contribuer à une distribution plus homogène du gaz.
La figure 7 illustre, de manière schématique et non limitative, une cinquième variante du mode de réalisation de la figure 2, en tout point identique à ce premier mode (ainsi, les éléments communs ne seront pas décrits à nouveau), à l'exception du fait que les moyens pour faire circuler le gaz comportent des moyens de distribution de gaz secondaires, sous la forme d’une ouverture 33 aménagée au-dessus du plateau inférieur (en l’espèce le plateau perforé 42) du four, permettant une alimentation en gaz complémentaire via le conduit 55 relié au circuit d’alimentation en gaz 60, 61 externe au four. Ces moyens de distribution de gaz secondaires permettent de compléter les moyens de distribution de gaz primaires associés au plateau 42, pour une meilleure adaptation aux spécificités de la variété des procédés industriels. Il est également possible de relier le conduit 55 à une ligne dédiée de circulation de gaz secondaire, différente de la ligne du circuit d’alimentation en gaz primaire 60.
Il est bien clair que les variantes des figures 3 à 7 peuvent être combinées entre elles.
La figure 8 illustre, de manière schématique et non limitative, un deuxième mode de réalisation du four à soles multiples selon l'invention, dans un fonctionnement à co-courant. Ce deuxième mode de réalisation est en tout point identique au premier mode de réalisation (ainsi, les éléments communs ne seront pas décrits à nouveau), à l'exception que dans cette conception, les moyens pour faire circuler le gaz dans l’enceinte 30 comprennent une ouverture 32 aménagée dans une partie d’une paroi latérale de l’enceinte 30 située sous le plateau inférieur (en l’espèce le plateau perforé 42) du four, pour permettre l'évacuation du gaz dans un fonctionnement à co-courant du four. Il est bien clair que les variantes des figures 3 à 7 peuvent être combinées au mode de réalisation de la figure 8.
L’invention concerne en outre un procédé de séchage et/ou de torréfaction d’une charge biomasse mis en œuvre au moyen du four à soles multiples tel que décrit ci-dessus selon l’une quelconque de ses variantes.
Exemples
Les caractéristiques et avantages du système selon l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de l’exemple d'application ci-après.
Cet exemple d’application vise à comparer la vitesse de chauffe d’un matériau de type biomasse disposé sur un plateau d’un four à soles multiples selon l’art antérieur (c’est-à-dire avec une injection gaz tangentielle) décrit en figure 1 , et la vitesse de chauffe d’un matériau de type biomasse disposé sur un plateau associé à des moyens de distribution de gaz primaires d’un four à soles multiples selon l’invention.
Les vitesses de chauffe sont estimées au moyen de simulations numériques réalisées avec le logiciel CPFD Barracuda™. Les données géométriques de la simulation et les conditions opératoires/limites sont indiquées ci-dessous :
Caractéristiques de l’enceinte : cylindre de 1 m de diamètre et 1 m de hauteur, comportant une ouverture pour la sortie gaz sous la forme d’un tube cylindrique de 0,17 m de diamètre et 0,1 m de hauteur aménagé dans la paroi supérieure de l’enceinte cylindrique, cette ouverture étant placée à condition atmosphérique ;
Le four est maintenu à une température constante et égale à 150°C ;
L’enceinte du four à soles multiples selon l’art antérieur comporte 3 cylindres d’injection de gaz tangentiels de 0,1 m de diamètre localisés 0,3 m au-dessus du plateau considéré. Le plateau perforé du four à soles multiples selon l’invention comporte 21 orifices répartis uniformément sur le plateau, correspondant à un nombre d’orifice par m2 de plateau d’environ 27.
Le gaz utilisé est de l’azote à 280°C. Le débit total de gaz en entrée est de 0,13 kg/s, représentant une vitesse superficielle du gaz dans le four de 0,3 m/s.
Une couche de biomasse d’une hauteur de 0,2 m est disposée au-dessus du plateau du four à soles multiples selon l’art antérieur et du plateau perforé du four à soles multiples selon l’invention. Les particules de biomasse ont un diamètre moyen de 2 cm et une température initiale de 20°C.
Une simulation numérique d’une durée de 100 s est réalisée pour le four à soles multiples selon l’art antérieur et pour le four à soles multiples selon l’invention. La température moyenne des particules de biomasse est enregistrée au cours du temps, à partir de laquelle on peut déduire la vitesse de chauffe des particules de biomasse. La figure 9A (respectivement la figure 9B) présente l’évolution dans le temps t de la température moyenne (respectivement la vitesse de chauffe) des particules de biomasse dans le cas du four à soles multiples selon l’art antérieur (courbe et échelle TAA ; respectivement courbe et échelle VAA) et du four à soles multiples selon l’invention (courbe et échelle Tl NV ; respectivement courbe et échelle VINV). On peut observer une montée en température beaucoup plus rapide dans le cas du four à soles multiples selon l’invention, ce qui permet d’augmenter la vitesse de chauffe d’un facteur de 600 par rapport au four à soles multiples selon l’art antérieur. Une telle augmentation de la vitesse de chauffe permet non seulement de réduire le temps de production, mais également la consommation énergétique du four.
Ainsi, le four à soles multiples selon l’invention permet une distribution plus homogène du gaz sur la surface d’un plateau comportant des moyens de distribution de gaz primaires, ce qui permet un meilleur contact entre le gaz et le solide disposé sur ce plateau, et ainsi une plus grande efficacité des procédés industriels mettant en œuvre un tel four.

Claims

Revendications
1. Four à soles multiples pour mettre en contact un solide et un gaz, ledit four comprenant une enceinte (30) d’axe longitudinal (AA) vertical en position de service, une pluralité de plateaux (41 ,42) disposés dans ladite enceinte et distribués le long dudit axe longitudinal (AA), des moyens pour faire circuler le solide dans ladite enceinte (45,46), et des moyens pour faire circuler le gaz (31 , 32, 33, 45, 46, 43, 50, 51 , 52) dans ladite enceinte (30) comprenant au moins une première ouverture (32) aménagée dans une paroi de ladite enceinte pour évacuer le gaz de ladite enceinte (30), caractérisé en ce que lesdits moyens pour faire circuler le gaz (31 , 32, 33, 45, 46, 43, 50, 51 , 52) dans ladite enceinte (30) comprennent en outre des premiers moyens de distribution de gaz (31 , 43, 50, 51 , 52) dans ledit four associés à au moins un desdits plateaux (42), lesdits premiers moyens de distribution de gaz (31 , 43, 50, 51 , 52) associés à au moins un desdits plateaux (42) comprenant une pluralité d’orifices (43) aménagés dans ledit au moins un plateau (42), une boite à vent (50) disposée sous ledit au moins un plateau (42) et en communication fluidique avec ledit plateau, et des moyens pour alimenter en gaz ladite boite à vent (31 , 51 , 52).
2. Four à soles multiples selon la revendication précédente, dans lequel lesdits premiers moyens de distribution de gaz (31 , 43, 50, 51 , 52) dans ledit four sont associés à chacun desdits plateaux (41 , 42) dudit four.
3. Four à soles multiples selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le nombre d’orifices (43) dudit au moins un plateau (42) associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz est compris entre 5 et 60 par m2, préférentiellement entre 8 et 40 par m2, et très préférentiellement entre 10 et 30 par m2.
4. Four à soles multiples selon l’une des revendications précédentes, dans lequel un lit de particules (54) est disposé sur une surface dudit au moins un plateau associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz.
5. Four à soles multiples selon la revendication 4, dans lequel lesdites particules dudit lit de particules (54) sont des particules de sable, des billes de verre concassé ou des billes de verre brutes, des particules formées à base de zéolithe naturelle ou synthétique, à base d'alumine, ou à base de résines ou de plastique.
6. Four à soles multiples selon la revendication 3, dans lequel, lorsque ledit solide se présente sous la forme de particules, lesdits orifices (43) dudit au moins un plateau (42) associé auxdits premiers moyens de distribution de gaz (31 , 43, 50, 51 , 52) sont dimensionnés de manière à respecter un critère prédéfini et exprimé selon une formule du type : PP = a. PS dans laquelle APP est la perte de charge du gaz en sortie desdits orifices (43) aménagés dans ledit plateau (42), APS est la perte de charge du gaz en sortie dudit solide sous la forme de particules disposées sur ledit plateau (42), et a est un coefficient de proportionnalité compris entre 0,01 et 0,7, préférentiellement entre 0,05 et 0,5 et plus préférentiellement entre 0,1 et 0,4.
7. Four à soles multiples selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit four comporte en outre des deuxièmes moyens de distribution de gaz (33) dans ledit four, comportant au moins une ouverture (33) aménagée dans une paroi de ladite enceinte et configurés pour une alimentation en gaz directement dans ladite enceinte.
8. Four à soles multiples selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premiers moyens de distribution de gaz (31 , 43, 50, 51, 52) associés à au moins un desdits plateaux (42) comprennent une deuxième ouverture (31) aménagée dans une paroi de ladite enceinte, un conduit (61) muni optionnellement d’une vanne (53) ou d’un clapet anti-retour, ledit conduit (61) reliant ladite deuxième ouverture (31) à un circuit extérieur d’alimentation en gaz (60).
9. Four à soles multiples selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens pour faire circuler le solide (45,46) dans ladite enceinte (30) comprennent un arbre (36) passant par ledit axe longitudinal (AA) de ladite enceinte (30) pour mettre en rotation des moyens pour déplacer le solide (45, 46) sur chacun desdits plateaux (41 , 42), lesdits moyens pour déplacer le solide (45, 46) sur chacun desdits plateaux (41 , 42) comprenant un bras de raclage.
10. Four à soles multiples selon l’une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens pour faire circuler le solide (45,46) dans ladite enceinte (30) comprennent des ouvertures (45, 46) aménagées sur lesdits plateaux (41, 42), lesdites ouvertures (45, 46) aménagées sur lesdits plateaux (41, 42) étant configurées de manière à ce que lesdits plateaux (41, 42) présentent alternativement soit une ouverture centrale (45), soit une ouverture périphérique (46) pour permettre un cheminement du solide d’un plateau (41 , 42) à un autre lorsque ledit four est en fonctionnement.
11. Procédé de séchage et/ou de torréfaction d’un solide du type d’une charge biomasse, ledit procédé étant mis en œuvre au moyen du four à soles multiples selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
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