Installation de gazéification de biomasse dans un réacteur cyclonique.
On entend par biomasse un produit qui provient des déchets organiques tels que par exemple des déchets de bois, des déchets provenant de agriculture, des déchets provenant de l'industrie alimentaire, de diverses boues de décantation ou d'un mélange de ces divers produits.
Cette production de déchets est mondialement en augmentation, plus dans certains continents que d'en d'autres, vu le développement et l'évolution de ceux-ci.
Il était donc utile de trouver un procédé d'utilisation de cette biomasse et ceci principalement en tant que combustible pour produire, par pyrolyse, un gaz riche en hydrogène (H2) et en monoxyde de carbone (CO) et ce avec très peu de goudron.
En effet, avec les gazogènes connus, le problème est qu'ils produisent un gaz combustible peu riche mais surtout avec des goudrons ce qui oblige, pour utilisation du gaz, de réduire ces goudrons soit par un cracking catalytique soit par lavage.
Pour avoir une réaction maximum cette biomasse est réduite en fines particules facilitant ainsi le contact avec le gaz caloporteur.
Diverses solutions ont été investiguées comme par exemple dans la demande de brevet US 2005/0247553 où la carbonisation/pyrolyse est effectuée dans un réacteur et la gazéification puis reformage du gaz dans un second réacteur ce qui augmente la surface occupée et multiplie les risques de problèmes.
Un système similaire a été décrit dans la DE 100049887 avec les mêmes inconvénients.
L'idée développée ci-après prévoit que la pyrolyse de cette biomasse s'effectue dans un seul réacteur tel que décrit dans le brevet EP 1.143.195.
Ce réacteur comprend: - un étage supérieur où s'effectue, avec un mouvement tourbillonnaire de la matière entraînée par le gaz de transport pneumatique prélevé sur le gaz recyclé produit et supportée par les gaz montants de l'étage inférieur, la carbonisation ou pyrolyse a - un étage inférieur où à lieu la gazéification.
Dans la partie supérieure du réacteur s'effectue une hydrogénopyrolyse vu la présence d'hydrogène (H2et H20) contenu dans le gaz recyclé, système tel qu'utilisé pour liquéfier le charbon.
La biomasse, finement granulée et qui est contenue dans un silo, est injectée dans la partie supérieure du réacteur par l'intermédiaire d'un fluide porteur composé d'une petite quantité du gaz produit et recyclé, lui-même mélangé à de la vapeur d'eau. Cette biomasse est préchauffée à une température d'environ 200[deg.]C par l'intermédiaire d'un échangeur chauffé par le gaz prélevé à la partie supérieure de la double paroi.
Ce chauffage de la biomasse, vu sa fine granulométrie, permet d'évaporer une grande partie de l'humidité contenue dans ladite biomasse.
La pyrolyse, qui dans le cas présent est du type flash, donne lieu à trois phases
- une fraction gazeuse non condensable à basse température - une fraction vapeurs condensables à basse température
" une phase aqueuse
" une phase lourde qui sont les goudrons
- un résidu solide qui est le charbon de bois
Les proportions de ces différents composants dépendent de la composition de la biomasse et surtout des conditions de pyrolyse.
La pyrolyse, pour éviter au maximum la formation des goudrons, doit s'effectuer à haute température (env.
1000[deg.]C) ce qui permet en plus de réduire le temps de passage et de diminuer les résidus (charbon de bois) au profit des gaz.
Dans notre cas, vu la température régnant dans le réacteur, outre l'hydrogène (H2environ 25%) et le monoxyde de carbone (CO environ 45%) il y a également du méthane (CH4environ 10% en volume) et de l'éthane (C2[pound]-6 environ 2%) ainsi que du dioxyde de carbone (C02moins de 10%).
Cependant la température obtenue par la combustion de la biomasse n'est pas suffisante et il est nécessaire d'apporter un complément calorifique pour augmenter la vitesse de réaction.
Pour ce faire, la partie supérieure du réacteur (partie carbonisation/pyrolyse) présente une double paroi dans laquelle est introduit un fluide chaud, formé d'une partie (env. 10%) du gaz produit mélangé à de l'air lui-même réchauffé, en circulant dans un échangeur chauffé par les gaz sortant au sommet du réacteur.
Ce mélange gaz-air est encore, en plus, porté à plus haute température (env. 1100[deg.]C) par l'intermédiaire d'un brûleur dont le démarrage s'effectue par l'apport de gaz naturel (CH4).
L'atmosphère régnant dans cette partie supérieure du réacteur est composée en majorité d'hydrogène (H2) provenant du gaz recyclé et de la vapeur d'eau (H20) avec présence de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (C02).
Le charbon de bois résultant de ce traitement et qui représente 15 à 20% en poids de la biomasse introduite, descend ensuite dans le réacteur inférieur où il subit une gazéification à l'air ou à l'oxygène (02) à environ 1000[deg.]C, ainsi que décrite dans le brevet EP 1143195.
Le gaz riche résultant, qui contient peu d'hydrocarbures, est recueilli, suite à son mouvement ascendant, au sommet du réacteur et pourra, après traitement adéquat, être utilisé pour faire fonctionner un moteur dual-fuel ou une turbine à gaz.
La partie gaz non condensable est formée de monoxyde de carbone (CO) de dioxyde de carbone (C02) et d'hydrogène (H2) sert également de combustible.
D'autres particularités et caractéristique de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation avantageux repris ci-après, à titre d'exemple non limitatif, et faisant référence à la figure 1 annexée.
La figure 1 présente une forme préférée du réacteur appliquant le procédé.
La biomasse (1) se présentant sous forme de fines est contenue dans le silo
(2).
Ce silo (2) est entouré d'un échangeur (3) dans lequel circule une partie du gaz (13) prélevé à la partie supérieure de la double paroi (14) et qui se trouve encore à une température d'environ 200[deg.]C. Grâce à cette température la biomasse est débarrassée en partie de l'humidité qu'elle renferme. Cette biomasse (1) est introduite dans la partie supérieure (5) du réacteur (6) par l'intermédiaire d'un injecteur (7) alimenté en fluide porteur (8) composé d'un mélange de gaz prélevé sur le gaz (4) sortant du réacteur (6) et de vapeur d'eau (11), préchauffée dans l'échangeur (10) par le gaz (4) sortant du réacteur (5).
L'introduction tangentielle de cette biomasse (1), portée par le mélange gaz/vapeur sortant de l'injecteur (7), donne à cette dernière un mouvement tourbillonnaire le long de la paroi du réacteur (5).
Cette biomasse, de granulométrie fine, étant de plus supportée par le flot montant du gaz (4) provenant du réacteur inférieur (12) descend lentement et reste donc ainsi en contact plus durable avec les gaz réducteurs permettant ainsi une pyrolyse complète.
La température régnant dans la partie carbonisation/pyrolyse (5) du réacteur (6) qui est de l'ordre 700[deg.]C, est portée à environ 1100[deg.]C grâce à la chaleur apportée par le gaz chaud (13) parcourant la double paroi (14) entourant la partie supérieure (5) du réacteur (6).
Le fluide parcourant la double paroi est constitué par une petite partie (environ 10%) du gaz (4) sortant du réacteur (6) à une température de 800[deg.]C environ, mélangé à de l'air chaud (15) provenant de l'échangeur (16) chauffé par les gaz (4) sortant du réacteur (6), la température de ce mélange gaz/air étant encore augmentée jusqu'à 1100[deg.]C environ par l'intermédiaire d'un brûleur (17) qui sert de torche pilote pour le démarrage de la combustion.
Le gaz (4) résultant, qui contient des hydrocarbures légers, est recueilli, suite à son mouvement ascendant, au sommet du réacteur (6).
Le coke obtenu après carbonisation/pyrolyse (environ 15 à 20% de la biomasse introduite), descend ensuite dans la partie inférieure (12) du réacteur (6)
où il subit une gazéification.
Bien qu'on ait décrit et illustré des formes d'exécution préférées de l'invention, il doit bien être entendu que d'autres variantes peuvent également être appliquées tout en restant dans le cadre du principe inventif repris.
Biomass gasification plant in a cyclonic reactor.
Biomass is a product that comes from organic waste, such as wood waste, agricultural waste, food industry waste, various sludge, or a mixture of these various products.
This production of waste is worldwide increasing, more in some continents than in others, considering the development and the evolution of these.
It was therefore useful to find a method of using this biomass and this mainly as fuel to produce, by pyrolysis, a gas rich in hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) and with very little tar .
In fact, with the known gasifiers, the problem is that they produce a poor fuel gas but especially with tars which requires, for use of the gas, to reduce these tars either by catalytic cracking or by washing.
To have a maximum reaction this biomass is reduced to fine particles thus facilitating contact with the heat transfer gas.
Various solutions have been investigated, for example in the patent application US 2005/0247553 in which the carbonization / pyrolysis is carried out in a reactor and the gasification then reforming of the gas in a second reactor which increases the area occupied and increases the risks of problems. .
A similar system has been described in DE 100049887 with the same disadvantages.
The idea developed below provides that the pyrolysis of this biomass takes place in a single reactor as described in patent EP 1,143,195.
This reactor comprises: an upper stage where, with a swirling movement of the material entrained by the pneumatic transport gas taken from the recycled gas produced and supported by the upstream gases of the lower stage, the carbonization or pyrolysis is carried out; - a lower floor where gasification takes place.
In the upper part of the reactor is carried out a hydrogenopyrolysis given the presence of hydrogen (H2 and H2O) contained in the recycled gas system as used to liquefy the coal.
The biomass, finely granulated and contained in a silo, is injected into the upper part of the reactor via a carrier fluid composed of a small amount of the gas produced and recycled, itself mixed with steam. of water. This biomass is preheated to a temperature of about 200 [deg.] C by means of a heat exchanger heated by the gas taken from the upper part of the double wall.
This heating of the biomass, given its fine particle size, makes it possible to evaporate a large part of the moisture contained in said biomass.
Pyrolysis, which in this case is of the flash type, gives rise to three phases
- a non-condensable gaseous fraction at low temperature - a condensable vapor fraction at low temperature
"an aqueous phase
"a heavy phase which are the tars
- a solid residue that is the charcoal
The proportions of these different components depend on the composition of the biomass and especially the pyrolysis conditions.
Pyrolysis, in order to avoid the formation of tars, must be carried out at a high temperature (approx.
1000 [deg.] C), which in addition reduces the transit time and reduces the residues (charcoal) in favor of the gases.
In our case, given the temperature in the reactor, besides hydrogen (H2 about 25%) and carbon monoxide (CO about 45%) there is also methane (CH4 about 10% by volume) and ethane (C2 [pound] -6 about 2%) as well as carbon dioxide (CO 2 less than 10%).
However, the temperature obtained by the combustion of the biomass is not sufficient and it is necessary to provide a heat supplement to increase the reaction rate.
To do this, the upper part of the reactor (carbonization / pyrolysis section) has a double wall into which a hot fluid, consisting of a part (about 10%) of the product gas mixed with air itself, is introduced. heated, circulating in an exchanger heated by the gases leaving the top of the reactor.
This gas-air mixture is, in addition, brought to a higher temperature (about 1100 ° C) by means of a burner whose start is effected by the addition of natural gas (CH4). .
The atmosphere in this upper part of the reactor is composed mostly of hydrogen (H2) from recycled gas and water vapor (H20) with the presence of carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (C02). ).
The charcoal resulting from this treatment, which represents 15 to 20% by weight of the introduced biomass, then descends into the lower reactor where it undergoes gasification with air or oxygen (O 2) at approximately 1000 ° C. .] C, as described in EP 1143195.
The resulting rich gas, which contains little hydrocarbon, is collected, following its upward movement, at the top of the reactor and may, after appropriate treatment, be used to operate a dual-fuel engine or a gas turbine.
The non-condensable gas portion is carbon monoxide (CO) carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2) also serves as fuel.
Other features and characteristics of the invention will become apparent from the description of an advantageous embodiment given below, by way of non-limiting example, and referring to the appended FIG. 1.
Figure 1 shows a preferred form of the reactor applying the process.
The biomass (1) in the form of fines is contained in the silo
(2).
This silo (2) is surrounded by an exchanger (3) in which circulates a portion of the gas (13) taken from the upper part of the double wall (14) and which is still at a temperature of about 200 [deg. .]VS. Thanks to this temperature, the biomass is partly freed of the moisture it contains. This biomass (1) is introduced into the upper part (5) of the reactor (6) via an injector (7) supplied with carrier fluid (8) composed of a gas mixture taken from the gas (4). ) leaving the reactor (6) and steam (11), preheated in the exchanger (10) by the gas (4) leaving the reactor (5).
The tangential introduction of this biomass (1), carried by the gas / vapor mixture leaving the injector (7), gives the latter a swirling motion along the wall of the reactor (5).
This biomass, of fine particle size, being further supported by the rising flow of gas (4) from the lower reactor (12) slowly descends and thus remains in more durable contact with the reducing gases thus allowing complete pyrolysis.
The temperature prevailing in the carbonization / pyrolysis part (5) of the reactor (6), which is of the order 700 [deg.] C, is brought to about 1100 [deg.] C by the heat supplied by the hot gas ( 13) traversing the double wall (14) surrounding the upper part (5) of the reactor (6).
The fluid passing through the double wall consists of a small part (about 10%) of the gas (4) leaving the reactor (6) at a temperature of about 800 ° C., mixed with hot air (15). from the exchanger (16) heated by the gases (4) leaving the reactor (6), the temperature of this gas / air mixture being further increased to about 1100 [deg.] C. by means of a burner (17) which serves as a pilot torch for starting the combustion.
The resulting gas (4), which contains light hydrocarbons, is collected, following its upward movement, at the top of the reactor (6).
The coke obtained after carbonization / pyrolysis (about 15 to 20% of the introduced biomass), then descends into the lower part (12) of the reactor (6)
where it undergoes gasification.
Although preferred embodiments of the invention have been described and illustrated, it should be understood that other variations may also be applied while remaining within the inventive principle.