CA2740506A1 - Fluidised bed device with quick fluidisation and saturated flow of circulating solids - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de lit fluidisé rapide comportant un réacteur (1, 1'), un cyclone de séparation des solides (2, 2') en sortie de ce réacteur, comportant une paroi supérieure (2A, 2'A) dite plafond, une conduite de retour de solides (4, 4') vers le réacteur en sortie de solides dudit cyclone et des échangeurs (5) associés au circuit de fumées en sortie dudit cyclone, une conduite (6, 6') reliant en partie haute ledit réacteur audit cyclone. Selon l'invention, ladite conduite (6, 6') débouche dans ledit plafond (2A, 2'A) du cyclone.The invention relates to a fast fluidized bed device comprising a reactor (1, 1 '), a solid separation cyclone (2, 2') at the outlet of this reactor, comprising a top wall (2A, 2'A) called ceiling, a return line of solids (4, 4 ') to the reactor at the outlet of solids of said cyclone and exchangers (5) associated with the flue gas circuit at the outlet of said cyclone, a pipe (6, 6') partially connecting high said cyclone audit reactor. According to the invention, said pipe (6, 6 ') opens into said ceiling (2A, 2'A) of the cyclone.
Description
PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXTRACTION DE DIOXYDE DE
CARBONE DE L'ATMOSPHERE
L'invention concerne un procédé et un dispositif d'extraction de dioxyde de carbone de l'atmosphère.
L'augmentation continue des teneurs en dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère depuis 1860, qui a désormais tendance à s'accélérer, de par les émissions des installations industrielles de production d'électricité à
base de combustibles fossiles, conduit à un réchauffement climatique de deux degrés minimum en 2100 qu'il s'agit de limiter en divisant les émissions de C02 par un facteur de quatre pour ne pas dépasser 550 ppm de C02 dans les années 2100.
Le but de l'invention est d'extraire sélectivement et économiquement le C02 de l'air de l'atmosphère.
La biomasse d'origine agricole et forestière stocke le C02 par photosynthèse sur des périodes comprises entre un et cent ans. Cette biomasse étant très réactive avec plus de 70 % de matières volatiles sur sec et environ 50 % d'humidité sur brut, l'invention propose de prendre avantage de ces caractéristiques pour convertir cette biomasse en énergie et carburants tout en capturant le C02 émis avec une technologie simplifiée et compacte.
Le C02 qui est capté peut être stocké pendant plusieurs centaines d'années dans le sous sol, par exemple dans des aquifères sous marins.
Grâce à l'invention, on réalise par cette nouvelle approche une extraction de C02 de l'air atmosphérique en utilisant un vecteur intermédiaire naturel de stockage de C02 que constitue la biomasse.
Le document de brevet WO 01/02513 décrit par ailleurs un procédé de traitement de biomasse. Les substances organiques sont tout d'abord broyées et/ou séchées, puis introduites dans un réacteur de pyrolyse dans lequel elles sont mises en contact avec le matériau d'un lit fluidisé associé dont les gaz de combustion sont purifiés avant rejet. METHOD AND DEVICE FOR EXTRACTING DIOXIDE FROM
CARBON OF THE ATMOSPHERE
The invention relates to a method and a device for extracting carbon dioxide from the atmosphere.
Continuous increase in carbon dioxide (CO2) levels in the atmosphere since 1860, which is now tending to accelerate, emissions from industrial power generation facilities at base of fossil fuels, leads to a global warming of two degrees minimum in 2100 to be limited by dividing C02 emissions by a factor of four to not exceed 550 ppm C02 in the 2100s.
The object of the invention is to extract selectively and economically the C02 of the air of the atmosphere.
Biomass of agricultural and forest origin stores C02 by photosynthesis over periods between one and a hundred years. This biomass being very reactive with more than 70% of dry matter and approximately 50% moisture on crude, the invention proposes to take advantage of these features to convert this biomass into energy and fuels while capturing CO2 emitted with simplified and compact technology.
C02 that is captured can be stored for several hundred years in the basement, for example in submarine aquifers.
Thanks to the invention, this new approach achieves a extraction of CO2 from atmospheric air using an intermediate vector natural storage of CO2 that constitutes biomass.
Patent document WO 01/02513 also describes a method of biomass treatment. Organic substances are first crushed and / or dried, and then introduced into a pyrolysis reactor in which they are brought into contact with the material of an associated fluidized bed whose gases of combustion are purified before discharge.
2 Selon ce procédé connu, aucune capture spécifique du C02 n'est prévue.
Le document de brevet US 2003/0029088 décrit un procédé de conversion de combustible en hydrogène, avec capture du dioxyde de carbone.
Selon ce procédé, la capture du dioxyde de carbone est effectuée par un cycle thermochimique comportant un réacteur de combustion et une chambre d'oxydation interconnectées, et dans lequel circulent des oxydes métalliques qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour la combustion. Une conversion thermochimique est réalisée au moyen d'un réacteur de pyrolyse et de ce cycle thermochimique.
Sil est envisagé d'utiliser de la biomasse en tant que combustible, ce document développe essentiellement l'utilisation de charbon.
L'objet de l'invention est d'adapter un tel procédé au traitement de biomasse à cycle carbone non fossile par un procédé perfectionné économique qui puisse être adapté à toutes tailles d'installation. En particulier, le traitement de biomasses, par exemple les résidus agricoles, les déchets forestiers et les déchets ménagers triés, ou les biomasses cultivées à des fins énergétiques, telles que le miscanthus ou des algues, peut être effectué de façon très locale, à proximité des sources de biomasses, avec des installations de petite taille et à très grande échelle.
L'invention propose donc un procédé d'extraction de dioxyde de carbone de l'atmosphère, par une conversion thermochimique de biomasses, en tant que vecteur intermédiaire naturel de stockage du dioxyde de carbone, , une capture du dioxyde de carbone étant effectuée par un cycle thermochimique comportant un réacteur de combustion et une chambre d'oxydation interconnectées, et dans lequel circulent des oxydes métalliques qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour ladite combustion, cette conversion thermochimique étant réalisée au moyen d'un réacteur de pyrolyse et dudit cycle thermochimique, caractérisé en ce que ladite pyrolyse est précédée d'un séchage des biomasses effectué par 2 According to this known method, no specific capture of CO2 is planned.
US patent document 2003/0029088 discloses a method of conversion of fuel into hydrogen, with capture of carbon dioxide.
According to this method, the capture of carbon dioxide is carried out by a cycle thermochemical comprising a combustion reactor and a chamber interconnected oxidation, and in which metal oxides circulate which are alternately oxidized and reduced and which ensure the supply of oxygen for combustion. A thermochemical conversion is carried out by means of a pyrolysis reactor and this thermochemical cycle.
If it is envisaged to use biomass as a fuel, this document essentially develops the use of coal.
The object of the invention is to adapt such a method to the treatment of non-fossil carbon cycle biomass by an advanced and economical process which can be adapted to any size of installation. In particular, the treatment of biomass, for example agricultural residues, waste forestry and sorted household waste, or biomass grown purposes energy, such as miscanthus or algae, can be very local, close to biomass sources, with amenities small and on a very large scale.
The invention therefore proposes a process for extracting carbon of the atmosphere, by thermochemical conversion of biomass, as a natural intermediate carrier for storing carbon dioxide,, a capture of the carbon dioxide being carried out by a cycle thermochemical comprising a combustion reactor and a chamber interconnected oxidation, and in which metal oxides circulate which are alternately oxidized and reduced and which ensure the supply of oxygen for said combustion, this thermochemical conversion being carried out at means of a pyrolysis reactor and said thermochemical cycle, characterized in that what said pyrolysis is preceded by a drying of the biomasses carried out by
3 des fumées en air appauvri sortant de ladite chambre d'oxydation dudit cycle thermochimique.
Outre l'avantage d'une installation compacte, ces fumées constitue un gaz inerte contenant moins de 5% d'oxygène qui peut sécher la biomasse à
une température de 750 C sans combustion.
La pyrolyse permet de libérer les matières volatiles contenues dans la biomasse.
Ce mode de réalisation prend avantage de la grande porosité et réactivité du résidu carboné de biomasse après départ de l'humidité et des matières volatiles.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ce procédé assure une production d'énergie et de carburants.
Grâce à ce procédé, il est réalisé une capture du dioxyde de carbone avec production de carburants en amont du réacteur de pyrolyse et d'électricité en amont du réacteur à lit fluidisé.
Les solides chauds en circulation dans ledit cycle thermochimique assurent de préférence ladite pyrolyse.
Avantageusement, les solides chauds en circulation dans ladite chambre d'oxydation assurent ladite pyrolyse.
Le système est ainsi le plus compact possible. Sachant que le résidu carboné à convertir peut ne représenter que 15% de la fraction de combustible entrant, le volume d'effluents gazeux, hors gaz de pyrolyse, se réduit à 15 %
des fumées d'une combustion à l'air. Or c'est ce débit d'effluents gazeux qui conditionne la taille des équipements d'un cycle thermochimique.
La compacité de ce système d'extraction de C02 est donc extrêmement élevée, ce qui réduit les coûts d'investissements et permet à un opérateur de se dispenser d'acheter les quotas C02, correspondant au cas d'emploi de combustibles fossiles.
L'autre avantage procuré par le fait de décomposer, ce traitement de biomasse en trois étapes, séchage, pyrolyse et conversion du résidu carboné 3 fumes in depleted air leaving said oxidation chamber of said cycle thermochemical.
In addition to the advantage of a compact installation, these fumes constitute a inert gas containing less than 5% oxygen which can dry the biomass to a temperature of 750 C without combustion.
Pyrolysis releases the volatile materials contained in the biomass.
This embodiment takes advantage of the high porosity and reactivity of the carbonaceous residue of biomass after the departure of moisture and volatile materials.
According to a preferred embodiment of the invention, this method ensures production of energy and fuels.
Thanks to this process, it is realized a capture of the carbon dioxide with fuel production upstream of the pyrolysis reactor and of electricity upstream of the fluidized bed reactor.
Hot solids circulating in said thermochemical cycle preferably provide said pyrolysis.
Advantageously, the hot solids circulating in said oxidation chamber provide said pyrolysis.
The system is as compact as possible. Knowing that the residue carbon to be converted may represent only 15% of the fuel fraction entering, the volume of gaseous effluents, excluding pyrolysis gas, is reduced to 15%
fumes from combustion in the air. But it is this flow of gaseous effluents that conditions the equipment size of a thermochemical cycle.
The compactness of this C02 extraction system is therefore extremely high, which reduces investment costs and allows an operator to to dispense with the purchase of C02 allowances, corresponding to the use case of fossil fuels.
The other advantage provided by decomposing this treatment of biomass in three stages, drying, pyrolysis and carbon residue conversion
4 est de minimiser l'apport d'oxygène à apporter pour la conversion du résidu solide carboné final.
Ladite production d'énergie et/ou de carburants est de préférence réalisée sous forme de vapeur haute pression et de gaz de synthèse dont la composition peut être ajustée après reformage pour fabriquer des carburants synthétiques du type méthanol ou du di-méthyle-éther.
De préférence, ledit cycle thermochimique utilise l'air, la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone pour oxyder et réduire lesdits oxydes métalliques.
Ledit air est avantageusement de l'air enrichi en oxygène.
U invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précisé ci-dessus, caractérisé en ce que ledit séchage est réalisé au moyen d'un réacteur de séchage constitué d'un lit mobile aéré à co-courant descendant, de forme évasée et muni de dévoûteurs.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention.
La figure 1 représente un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de séchage pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.
Comme illustré sur la figure 1, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comporte trois composants principaux interconnectés un réacteur de séchage 1, un réacteur de pyrolyse flash 2 et un convertisseur thermochimique 3, constituant un cycle thermochimique comportant un réacteur de combustion 8 et une chambre d'oxydation 9 interconnectées et dans lequel circule des oxydes métalliques qui sont alternativement oxydés et réduits.
La biomasse traitée 4 dont la teneur en humidité est de 40 à 55 %, est finement divisée par déchiquetage en copeaux de type papeterie et en sciure, puis introduite dans le réacteur de séchage 1, de préférence en lit mobile aéré
à courant descendant, de forme évasée et muni de dévoûteurs, qui sera décrit plus loin. En sortie de ce réacteur de séchage 1, la vapeur d'eau et l'air appauvri 14 sont libérés dans l'atmosphère.
Les gaz 5 admis dans ce réacteur de séchage 1 sont à une température de 400 à 600 C. La biomasse une fois séchée à environ 10 à 4 is to minimize the supply of oxygen to bring for the conversion of the residue final carbon solid.
Said production of energy and / or fuels is preferably performed in the form of high-pressure steam and synthesis gas whose composition can be adjusted after reforming to make fuels synthetics of the methanol or di-methyl-ether type.
Preferably, said thermochemical cycle uses air, water vapor and carbon dioxide for oxidizing and reducing said metal oxides.
Said air is advantageously air enriched with oxygen.
The invention also relates to a device for implementing the process specified above, characterized in that said drying is carried out at means of a drying reactor consisting of an aerated mobile bed co-current descending, flared and equipped with devoutors.
The invention is described below in more detail with the aid of FIGS.
representing a preferred embodiment of the invention.
FIG. 1 represents a device for implementing the method according to the invention.
FIG. 2 is a vertical sectional view of a drying device for the implementation of the process according to the invention.
As illustrated in FIG. 1, a device for implementing the method according to the invention comprises three main components interconnected a drying reactor 1, a flash pyrolysis reactor 2 and a thermochemical converter 3, constituting a thermochemical cycle comprising a combustion reactor 8 and an oxidation chamber 9 interconnected and in which circulates metal oxides which are alternately oxidized and reduced.
The treated biomass 4, whose moisture content is 40 to 55%, is finely divided by chip shredding of stationery and sawdust, then introduced into the drying reactor 1, preferably in a moving bed airy with downward current, of flared shape and provided with devoutors, which will be described further. At the outlet of this drying reactor 1, the water vapor and the air depleted 14 are released into the atmosphere.
The gases admitted to this drying reactor 1 are at a temperature of 400 to 600 C. The biomass once dried at about 10 to
5 15% d'humidité résiduelle est transférée par vis et chute gravitaire avec sas vers un réacteur de pyrolyse flash 2, réalisée à une température comprise entre 400 et 800 C, en lit fluidisé alimenté en solides chauds provenant du cycle thermochimique 3 fonctionnant à une température comprise 700 à
1000 C selon les oxydes utilisés. La libération des matières volatiles et de l'humidité résiduelle contenues dans la biomasse introduite est immédiate et constitue la sortie 6 de gaz de pyrolyse du procédé. Cette composition gazeuse peut être ajustée par un reformage à l'oxygène 17 à 1200 à 1400 C pour convertir les goudrons et le méthane puis une étape de CO shift pour arriver à une boucle 10 de synthèse de fabrication de carburants synthétiques, du type méthanol ou du di-méthyle-éther. La réaction (CO+ H20 -> H2 +
C02) représente ledit CO shift .
Le résidu carboné restant après pyrolyse, mélangé au matériau de lit en circulation, est transféré par une conduite 7 vers le réacteur de combustion 8, alimenté en vapeur d'eau et C02 par les conduites 15, 15' comme pour une gazéification autothermique classique. Le résidu carboné est converti progressivement dans la boucle circulante thermochimique 3 jusqu'à disparition du carbone et les cendres résiduelles s'échappent par un cyclone et par un soutirage de lit en bas de réacteur de combustion 8.
Le matériau de lit de ce réacteur de combustion 8 est celui du cycle thermochimique 3 dans lequel circule des oxydes métalliques naturels ou synthétiques qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour la combustion ou gazéification, auquel se superpose le matériau de lit contenant le résidu carboné.
Ce matériau de lit en circulation qui est constitué de particules fines d'oxydes mixtes de type fer, titane et/ou manganèse est oxydé, réduit, joue le 15% residual moisture is transferred by screw and gravity drop with sas to a flash pyrolysis reactor 2, carried out at a temperature of between 400 and 800 C, in a fluidized bed fed with hot solids from the thermochemical cycle 3 operating at a temperature of 700 to 1000 C according to the oxides used. The release of volatile materials and the residual moisture contained in the introduced biomass is immediate and constitutes the outlet 6 of pyrolysis gas of the process. This gaseous composition can be adjusted by oxygen reforming 17 to 1200 to 1400 C for convert tars and methane then a step of CO shift for to arrive at a synthetic synthesis loop of synthetic fuels, of the methanol or di-methyl-ether type. The reaction (CO + H20 -> H2 +
C02) represents said CO shift.
The carbon residue remaining after pyrolysis, mixed with the bed material in circulation, is transferred via line 7 to the reactor of combustion 8, supplied with water vapor and CO2 by the pipes 15, 15 'as for a conventional autothermal gasification. The carbon residue is converted progressively in the thermochemical circulating loop 3 until disappearance carbon and residual ash escape by a cyclone and by a bed racking at the bottom of the combustion reactor 8.
The bed material of this combustion reactor 8 is that of the cycle thermochemical 3 in which circulates natural metal oxides or synthetic materials that are alternately oxidized and the intake of oxygen for combustion or gasification, to which the bed material containing the carbonaceous residue.
This circulating bed material which consists of fine particles of mixed oxides of iron, titanium and / or manganese type is oxidized, reduced, plays the
6 rôle de caloporteur et contient le résidu carboné à convertir. Le C02 issu de la conversion du résidu carboné 11 sort du réacteur de combustion 8 et subit refroidissement, dépoussiérage, condensation de l'eau des fumées et compression pour transport. Il peut ensuite être stocké en aquifère. Une partie 15 de ce C02 avec de la vapeur d'eau assure l'alimentation du réacteur de combustion 8 et une autre partie 16 avec de la vapeur d'eau est injectée dans le réacteur de pyrolyse 2, selon les besoins de rapport CO/H2 de l'étape de CO shift , elle même dépendant du carburant synthétique final à produire.
L'oxydation très rapide du matériau de lit est assurée par une fluidisation à l'air ou à l'air enrichi à l'oxygène 12 dans la chambre d'oxydation 9 aménagée dans le convertisseur thermochimique 3 comportant des sas de gaz. Ces sas sont des dispositifs d'étanchéité entre des enceintes contenant des gaz de composition différente.
Le flux gazeux 13 évacué de cette chambre d'oxydation 9 est essentiellement de l'air appauvri en oxygène. Ce flux gazeux d'air appauvri en oxygène est particulièrement bien adapté au séchage de biomasse hautement réactive sans risque d'allumage et est utilisé préférentiellement pour le séchage de la biomasse, car il représente plus de 70 % du débit de fumées de l'installation.
La figure 2 représente le réacteur de séchage 1 qui est de préférence un lit mobile à courant descendant muni de dévoûteurs. Il comporte une enceinte 1A, de forme évasée vers le bas, sa partie haute recevant les biomasses à partir d'une trémie 1C par l'intermédiaire d'une vis sans fin d'entrée 1B. Sa partie basse est pourvue de vis sans fin de sortie 1D.
Les fumées en air appauvri sortant de la chambre de d'oxydation 8 du cycle thermochimique sont injectées lE en partie haute de l'enceinte, pour réaliser le séchage et les gaz refroidis sont évacués 1F en partie basse. 6 role of coolant and contains the carbon residue to be converted. C02 from the conversion of the carbon residue 11 leaves the combustion reactor 8 and undergoes cooling, dedusting, condensation of flue gas and compression for transport. It can then be stored in aquifer. A
part 15 of this CO 2 with water vapor feeds the reactor of combustion 8 and another part 16 with water vapor is injected into the pyrolysis reactor 2, according to the CO / H2 ratio requirements of the step of CO shift, itself dependent on the final synthetic fuel to be produced.
Very fast oxidation of the bed material is ensured by a fluidization with air or air enriched with oxygen 12 in the chamber oxidation 9 arranged in the thermochemical converter 3 having airlock gas. These locks are sealing devices between enclosures containing gases of different composition.
The gas stream 13 discharged from this oxidation chamber 9 is essentially oxygen-depleted air. This gaseous flow of air depleted in oxygen is particularly well suited to highly biomass drying reactive without risk of ignition and is used preferentially for the biomass drying because it accounts for more than 70% of the flue gas installation.
FIG. 2 represents the drying reactor 1 which is preferably a movable bed with downward current provided with theaters. It has a enclosure 1A, of flared shape downwards, its upper part receiving the biomasses from a 1C hopper via a worm input 1B. Its lower part is equipped with 1D output worm.
The fumes in depleted air leaving the oxidation chamber 8 of the thermochemical cycle are injected lE at the top of the enclosure, for carry out the drying and the cooled gases are evacuated 1F in the lower part.
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