CA2859480A1 - Procede et equipement de gazeification en lit fixe - Google Patents
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Abstract
Gazéifieur (14) à lit fixe à co-courant (14) destiné à transformer de la biomasse (26) en gaz de synthèse et cendres à l'aide d'un agent de gazéification, ledit gazéifieur (14) comportant un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant une partie supérieure (22) et une partie inférieure (23), dans lequel gazéifieur (14) la biomasse (26) est introduite par un conduit d'entrée (1) situé dans le haut de la partie supérieure (22) du corps (22) du gazéifieur (14), le gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse (12), et les cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure (23) du corps de réacteur à travers un conduit d'évacuation des cendres (10), et ledit gazéifieur (14) comportant, de haut en bas, - une zone de pyrolyse (16) de la biomasse (26), - une zone d'oxydation (17) de la biomasse (26), - une zone de réduction (18), - une grille (8) comportant une pluralité d'ouvertures à travers lesquelles passent les cendres pour être évacuées, et ledit gazéifieur (14) comportant des moyens d'introduction d'un agent de gazéification, tel que de l'air ou de l'oxygène, ledit gazéifieur (14) étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de l'agent de gazéification comprennent: un cône de diffusion (13) de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14), ou au-dessus de ladite zone d'oxydation (17), des moyens d'injection (19, (29) de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14).
Description
PROCEDE ET EQUIPEMENT DE GAZEIFICATION EN LIT FIXE
Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la gazéification de biomasse, et plus particulièrement à un système de gazéification en lit fixe utilisé pour la conversion de matière organique solide (appelée aussi biomasse), en gaz de synthèse. Ce gaz peut être brûlé, par exemple dans un moteur, turbine, four ou chaudière, ce qui permet de valoriser l'énergie calorifique qu'il recèle. L'invention concerne en particulier un système de gazéification de taille moyenne, de l'ordre de quelques centaines de kW à
quelques MW.
État de la technique La gazéification de la biomasse consiste à décomposer en présence d'un gaz réactif (oxygène par exemple) un solide, par exemple du bois, afin d'obtenir un produit gazeux.
Lors de ce processus, la biomasse est soumise à quatre phénomènes thermochimiques qui se succèdent :
-Le séchage : l'humidité du combustible est éliminée par évaporation. Cette opération est endothermique, elle a lieu à une température typiquement comprise entre 100 C et 160 C.
-La pyrolyse : des gaz combustibles et non combustibles sont libérés par la biomasse sèche à partir de 250 C. Ces gaz sont constitués de vapeurs non condensables (méthane, hydrogène, monoxyde de carbone, dioxyde de carbone,...) et de vapeurs condensables (goudrons). Le résidu de cette opération appelé coke est du carbone qui contient des matières minérales.
-L'oxydation : elle a lieu en présence du gaz réactif (air, vapeur d'eau, oxygène pur, hydrogène) qui conditionne le pouvoir calorifique du gaz à la sortie du gazéifieur.
L'optimisation de la zone d'oxydation est primordiale dans la mesure où une forte proportion de goudrons produits lors de la pyrolyse y est craquée.
L'utilisation de l'air, comme gaz réactif, est la plus répandue. Dans ce cas précis, l'oxydation ou combustion partielle est la phase qui fournit la chaleur nécessaire pour les trois phases du processus de gazéification.
-La réduction : le coke réagit avec la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, formant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, constituants principaux du gaz combustible produit.
Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine de la gazéification de biomasse, et plus particulièrement à un système de gazéification en lit fixe utilisé pour la conversion de matière organique solide (appelée aussi biomasse), en gaz de synthèse. Ce gaz peut être brûlé, par exemple dans un moteur, turbine, four ou chaudière, ce qui permet de valoriser l'énergie calorifique qu'il recèle. L'invention concerne en particulier un système de gazéification de taille moyenne, de l'ordre de quelques centaines de kW à
quelques MW.
État de la technique La gazéification de la biomasse consiste à décomposer en présence d'un gaz réactif (oxygène par exemple) un solide, par exemple du bois, afin d'obtenir un produit gazeux.
Lors de ce processus, la biomasse est soumise à quatre phénomènes thermochimiques qui se succèdent :
-Le séchage : l'humidité du combustible est éliminée par évaporation. Cette opération est endothermique, elle a lieu à une température typiquement comprise entre 100 C et 160 C.
-La pyrolyse : des gaz combustibles et non combustibles sont libérés par la biomasse sèche à partir de 250 C. Ces gaz sont constitués de vapeurs non condensables (méthane, hydrogène, monoxyde de carbone, dioxyde de carbone,...) et de vapeurs condensables (goudrons). Le résidu de cette opération appelé coke est du carbone qui contient des matières minérales.
-L'oxydation : elle a lieu en présence du gaz réactif (air, vapeur d'eau, oxygène pur, hydrogène) qui conditionne le pouvoir calorifique du gaz à la sortie du gazéifieur.
L'optimisation de la zone d'oxydation est primordiale dans la mesure où une forte proportion de goudrons produits lors de la pyrolyse y est craquée.
L'utilisation de l'air, comme gaz réactif, est la plus répandue. Dans ce cas précis, l'oxydation ou combustion partielle est la phase qui fournit la chaleur nécessaire pour les trois phases du processus de gazéification.
-La réduction : le coke réagit avec la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, formant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, constituants principaux du gaz combustible produit.
2 Différentes technologies ont été développées pour mettre en oeuvre la gazéification de la biomasse à l'échelle industrielle. Les technologies les plus répandues sont les gazéifieurs (ou gazéificateurs ) à lit fixe et les gazéifieurs à lit mobile. Ces derniers sont destinés aux installations de puissances thermiques élevées (supérieures à 10 MW) et requièrent un combustible finement broyé.
Les gazéifieurs à lit fixe sont destinés aux installations de puissances plus faibles et peuvent utiliser du combustible grossier (par exemple des plaquettes forestières). Deux grandes catégories de gazéifieurs à lit fixe se distinguent par le sens relatif de circulation de la biomasse et de l'air : à contre-courant ou à co-courant. Dans un gazéifieur à contre-courant, l'alimentation en biomasse se fait par le haut du réacteur et l'air est injecté par le bas de l'unité à travers une grille. Le coke subit une combustion partielle qui fournit l'énergie thermique nécessaire aux différentes étapes du procédé. Le gaz traverse les zones de réduction et de pyrolyse et refroidit en séchant la biomasse. Ce type de gazéifieur produit beaucoup de goudrons qu'il faut éliminer en sortie du gazéifieur pour pouvoir utiliser le gaz de synthèse produit.
Dans un gazéifieur à co-courant, l'alimentation en biomasse et en agent oxydant se fait dans la même direction. Le gaz produit traverse la zone chaude ce qui permet de craquer les goudrons formés pendant la réaction de pyrolyse. Le gaz produit quitte ainsi le réacteur à une température élevée, de l'ordre de 700 C. Le contenu en goudrons est donc beaucoup plus faible que dans le cas du gazéifieur à contre-courant. En revanche, les gazéifieurs à co-courant existants sont limités en terme de puissance maximale, du fait que l'injection d'agent oxydant (air, oxygène, vapeur d'eau) se fait en périphérie, ce qui limite la pénétration du gaz réactif (appelé ici aussi agent de gazéification ) dans le lit, en particulier au niveau de la zone de réduction. Un tel gazéifieur est décrit par exemple dans la demande de brevet WO 2009/020442 (Detes Maden Enerji Ve Cevre Teknoloji Sistemleri Limited Sirket).
Des solutions ont été proposées pour résoudre ce problème. Le brevet US
594,540 (Kitson, 1897) décrit un gazéifieur cylindrique à co-courant dans lequel l'entrée de l'air se fait par le haut du cylindre. La tuyère d'alimentation en air a une forme de cône, et l'air est amené directement dans le lit de biomasse. De même, le brevet US 4,306,506 (Energy Recovery Research Group) décrit un gazéifieur cylindrique à co-courant comportant successivement de haut en bas une zone supérieure de séchage, puis une zone de distillation (pyrolyse), puis une zone d'oxydation, et enfin une zone de réduction. L'air est introduit par un conduit débouchant dans le coeur de la zone d'oxydation et comportant un cône de déflection qui envoie l'air vers le haut et vers le bas de l'ensemble de la zone d'oxydation. En outre, de l'air peut également être envoyé dans le bas de la
Les gazéifieurs à lit fixe sont destinés aux installations de puissances plus faibles et peuvent utiliser du combustible grossier (par exemple des plaquettes forestières). Deux grandes catégories de gazéifieurs à lit fixe se distinguent par le sens relatif de circulation de la biomasse et de l'air : à contre-courant ou à co-courant. Dans un gazéifieur à contre-courant, l'alimentation en biomasse se fait par le haut du réacteur et l'air est injecté par le bas de l'unité à travers une grille. Le coke subit une combustion partielle qui fournit l'énergie thermique nécessaire aux différentes étapes du procédé. Le gaz traverse les zones de réduction et de pyrolyse et refroidit en séchant la biomasse. Ce type de gazéifieur produit beaucoup de goudrons qu'il faut éliminer en sortie du gazéifieur pour pouvoir utiliser le gaz de synthèse produit.
Dans un gazéifieur à co-courant, l'alimentation en biomasse et en agent oxydant se fait dans la même direction. Le gaz produit traverse la zone chaude ce qui permet de craquer les goudrons formés pendant la réaction de pyrolyse. Le gaz produit quitte ainsi le réacteur à une température élevée, de l'ordre de 700 C. Le contenu en goudrons est donc beaucoup plus faible que dans le cas du gazéifieur à contre-courant. En revanche, les gazéifieurs à co-courant existants sont limités en terme de puissance maximale, du fait que l'injection d'agent oxydant (air, oxygène, vapeur d'eau) se fait en périphérie, ce qui limite la pénétration du gaz réactif (appelé ici aussi agent de gazéification ) dans le lit, en particulier au niveau de la zone de réduction. Un tel gazéifieur est décrit par exemple dans la demande de brevet WO 2009/020442 (Detes Maden Enerji Ve Cevre Teknoloji Sistemleri Limited Sirket).
Des solutions ont été proposées pour résoudre ce problème. Le brevet US
594,540 (Kitson, 1897) décrit un gazéifieur cylindrique à co-courant dans lequel l'entrée de l'air se fait par le haut du cylindre. La tuyère d'alimentation en air a une forme de cône, et l'air est amené directement dans le lit de biomasse. De même, le brevet US 4,306,506 (Energy Recovery Research Group) décrit un gazéifieur cylindrique à co-courant comportant successivement de haut en bas une zone supérieure de séchage, puis une zone de distillation (pyrolyse), puis une zone d'oxydation, et enfin une zone de réduction. L'air est introduit par un conduit débouchant dans le coeur de la zone d'oxydation et comportant un cône de déflection qui envoie l'air vers le haut et vers le bas de l'ensemble de la zone d'oxydation. En outre, de l'air peut également être envoyé dans le bas de la
3 zone de réduction, cet air étant avant tout destiné à refroidir la zone de réduction. Dans cette configuration, l'injection d'air entraîne deux inconvénients : d'une part, l'oxygène de l'air réagit avec l'hydrogène du gaz de synthèse produit, ce qui diminue le pouvoir calorifique du gaz de synthèse, et d'autre part, le gaz de synthèse est dilué
par l'azote présent dans l'air.
Le brevet US 4,568,271 (Kernforschungsanlage Jülich) décrit un gazéifieur pour la gazéification d'effluents liquides contenant des composés organiques. Les liquides sont introduits dans un conteneur cylindrique vertical par une conduite située dans le haut du gazéifieur. Un lit incandescent contenant des matériaux riches en carbone est situé dans le bas du conteneur cylindrique. De l'oxygène est introduit dans le lit incandescent par une conduite centrale placée dans le bas du conteneur cylindrique puis par un cône comportant des ouvertures et situé dans le lit incandescent. Les effluents liquides sont vaporisés et craqués . Ce dispositif ne convient que pour le traitement d'effluents liquides.
La demande de brevet DE 10 2010 033 646 (Pyrox GMBH) décrit un gazéifieur à
lit fixe à
co-courant comportant une chambre d'oxydation séparée placée à l'intérieur du corps du gazéifieur. Cette chambre d'oxydation comporte une zone supérieure conique avec la partie large du cône située en bas, une entrée d'agent oxydant (air) est prévue dans la partie supérieure de la chambre d'oxydation. La zone supérieure conique comprend également une double paroi à l'intérieur de laquelle les gaz de pyrolyse produits dans la zone de pyrolyse sont acheminés, et introduits dans la chambre d'oxydation.
Ces gaz de pyrolyse passent à travers une grille située sur la périphérie de la chambre d'oxydation.
La chambre d'oxydation décrite dans la demande de brevet DE 10 2010 033 646 présente typiquement un agencement de brûleur. Ce dispositif est de construction complexe, de plus les gaz de pyrolyse sont très chargés en goudrons, et la grille d'admission risque d'être rapidement obstruée.
La demande de brevet NL 8200417 (TAB BV) décrit un gazéifieur à lit fixe à co-courant apte à traiter une grande variété de combustibles. Ce gazéifieur comporte une entrée d'air dans le haut du corps du gazéifieur, cet air étant amené par une canne dans une chambre comportant une partie supérieure conique avec la partie large du cône située en bas. Du fait de la forme de la chambre, la diffusion de l'air dans la biomasse n'est pas optimale.
Les gazéifieurs à lit fixe et à co-courant selon l'état de la technique sont donc limités en puissance. Il existe un besoin pour un dispositif de gazéification de biomasse à lit fixe et à co-courant permettant de lever les limitations de l'art antérieur en terme de puissance maximale, pouvant fonctionner notamment à une puissance maximale supérieure à
par l'azote présent dans l'air.
Le brevet US 4,568,271 (Kernforschungsanlage Jülich) décrit un gazéifieur pour la gazéification d'effluents liquides contenant des composés organiques. Les liquides sont introduits dans un conteneur cylindrique vertical par une conduite située dans le haut du gazéifieur. Un lit incandescent contenant des matériaux riches en carbone est situé dans le bas du conteneur cylindrique. De l'oxygène est introduit dans le lit incandescent par une conduite centrale placée dans le bas du conteneur cylindrique puis par un cône comportant des ouvertures et situé dans le lit incandescent. Les effluents liquides sont vaporisés et craqués . Ce dispositif ne convient que pour le traitement d'effluents liquides.
La demande de brevet DE 10 2010 033 646 (Pyrox GMBH) décrit un gazéifieur à
lit fixe à
co-courant comportant une chambre d'oxydation séparée placée à l'intérieur du corps du gazéifieur. Cette chambre d'oxydation comporte une zone supérieure conique avec la partie large du cône située en bas, une entrée d'agent oxydant (air) est prévue dans la partie supérieure de la chambre d'oxydation. La zone supérieure conique comprend également une double paroi à l'intérieur de laquelle les gaz de pyrolyse produits dans la zone de pyrolyse sont acheminés, et introduits dans la chambre d'oxydation.
Ces gaz de pyrolyse passent à travers une grille située sur la périphérie de la chambre d'oxydation.
La chambre d'oxydation décrite dans la demande de brevet DE 10 2010 033 646 présente typiquement un agencement de brûleur. Ce dispositif est de construction complexe, de plus les gaz de pyrolyse sont très chargés en goudrons, et la grille d'admission risque d'être rapidement obstruée.
La demande de brevet NL 8200417 (TAB BV) décrit un gazéifieur à lit fixe à co-courant apte à traiter une grande variété de combustibles. Ce gazéifieur comporte une entrée d'air dans le haut du corps du gazéifieur, cet air étant amené par une canne dans une chambre comportant une partie supérieure conique avec la partie large du cône située en bas. Du fait de la forme de la chambre, la diffusion de l'air dans la biomasse n'est pas optimale.
Les gazéifieurs à lit fixe et à co-courant selon l'état de la technique sont donc limités en puissance. Il existe un besoin pour un dispositif de gazéification de biomasse à lit fixe et à co-courant permettant de lever les limitations de l'art antérieur en terme de puissance maximale, pouvant fonctionner notamment à une puissance maximale supérieure à
4 kW, et qui permet d'obtenir un gaz de synthèse avec un rendement élevé, un taux de goudrons minimal, et un taux de carbone dans les cendres minimal.
Objet de l'invention Les problèmes sont résolus par un gazéifieur à lit fixe à co-courant destiné à
transformer de la biomasse en gaz de synthèse et cendres à l'aide d'un agent de gazéification, ledit gazéifieur comportant un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant une partie supérieure et une partie inférieure, dans lequel gazéifieur la biomasse est introduite par un conduit d'entrée situé dans le haut de la partie supérieure du corps du gazéifieur, le gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse, et les cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure du corps de réacteur à
travers un conduit d'évacuation des cendres, et ledit gazéifieur comportant, de haut en bas, - une zone de pyrolyse de la biomasse, - une zone d'oxydation de la biomasse, - une zone de réduction, - une grille comportant une pluralité d'ouvertures à travers lesquelles passent les cendres pour être évacuées, et ledit gazéifieur comportant des moyens d'introduction d'un agent de gazéification, tel que de l'air ou de l'oxygène, ledit gazéifieur étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de l'agent de gazéification comprennent :
- un cône de diffusion de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation du gazéifieur, ou au-dessus de ladite zone d'oxydation, - des moyens d'injection de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation du gazéifieur.
Avantageusement, le gazéifieur comprend une zone annulaire dans laquelle le gaz de synthèse est collecté avant de quitter le gazéifieur par ledit conduit d'évacuation du gaz de synthèse.
Ledit cône de diffusion est situé au-dessous dudit conduit d'entrée de la biomasse, noyé
dans la biomasse lors du fonctionnement dudit gazéifieur. Avantageusement, le cône de diffusion présente un diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et de préférence entre 30% et 50%, de la valeur du diamètre interne D de la partie supérieure
Objet de l'invention Les problèmes sont résolus par un gazéifieur à lit fixe à co-courant destiné à
transformer de la biomasse en gaz de synthèse et cendres à l'aide d'un agent de gazéification, ledit gazéifieur comportant un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant une partie supérieure et une partie inférieure, dans lequel gazéifieur la biomasse est introduite par un conduit d'entrée situé dans le haut de la partie supérieure du corps du gazéifieur, le gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse, et les cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure du corps de réacteur à
travers un conduit d'évacuation des cendres, et ledit gazéifieur comportant, de haut en bas, - une zone de pyrolyse de la biomasse, - une zone d'oxydation de la biomasse, - une zone de réduction, - une grille comportant une pluralité d'ouvertures à travers lesquelles passent les cendres pour être évacuées, et ledit gazéifieur comportant des moyens d'introduction d'un agent de gazéification, tel que de l'air ou de l'oxygène, ledit gazéifieur étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de l'agent de gazéification comprennent :
- un cône de diffusion de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation du gazéifieur, ou au-dessus de ladite zone d'oxydation, - des moyens d'injection de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation du gazéifieur.
Avantageusement, le gazéifieur comprend une zone annulaire dans laquelle le gaz de synthèse est collecté avant de quitter le gazéifieur par ledit conduit d'évacuation du gaz de synthèse.
Ledit cône de diffusion est situé au-dessous dudit conduit d'entrée de la biomasse, noyé
dans la biomasse lors du fonctionnement dudit gazéifieur. Avantageusement, le cône de diffusion présente un diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et de préférence entre 30% et 50%, de la valeur du diamètre interne D de la partie supérieure
5 PCT/FR2012/053086 du corps de réacteur. L'angle interne du cône est avantageusement compris entre 60 et 120 , et de préférence entre 70 et 110 .
Dans un mode de réalisation, le gazéifieur selon l'invention comprend en plus une entrée d'agent de gazéification située au-dessus de la grille mais au-dessous de la zone 5 d'oxydation.
Avantageusement, la superficie de ladite zone annulaire est de trois à dix fois supérieure (préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus préférentiellement environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans la grille.
Le gazéifieur selon l'invention peut être réalisé en différentes tailles et avec différentes puissances thermique, mais son fonctionnement est optimal lorsque sa puissance thermique est comprise entre 200 et 5000 kW, de préférence entre 500 et 2500 kW, et encore plus préférentiellement entre 600 et 2000 kW.
Un autre objet de l'invention est un procédé de gazéification de biomasse utilisant un gazéifieur selon l'invention, dans lequel - on introduit de la biomasse par ledit conduit d'entrée, - on introduit l'agent de gazéification par ledit cône de diffusion et par lesdits moyens d'injection situées dans la zone d'oxydation du gazéifieur, - on évacue les gaz de synthèse par ladite zone annulaire et ledit conduit d'évacuation de gaz de synthèse, et - on évacue les cendres à travers ladite grille et le conduit d'évacuation des cendres.
Dans un mode de réalisation avantageux de ce procédé, on injecte ledit agent de gazéification également par une entrée située au-dessus de la grille mais au-dessous de la zone d'oxydation.
Figures Les figures 1 à 4 montrent de manière schématique différents aspects d'un gazéifieur selon l'invention. Les figures 1, 2 et 4 montrent une coupe longitudinale, la figure 3 montre une vue du haut en coupe horizontale selon le plan A-A.
La figure 5a représente la variation de la température du gaz de synthèse en sortie du gazéifieur (courbe foncée), et la variation de la température du gaz dans la partie haute du réacteur (courbe claire). La figure 5b représente la variation de la pression en haut du gazéifieur (courbe claire), et la variation de la pression en bas du gazéifieur (courbe foncée).
Dans un mode de réalisation, le gazéifieur selon l'invention comprend en plus une entrée d'agent de gazéification située au-dessus de la grille mais au-dessous de la zone 5 d'oxydation.
Avantageusement, la superficie de ladite zone annulaire est de trois à dix fois supérieure (préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus préférentiellement environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans la grille.
Le gazéifieur selon l'invention peut être réalisé en différentes tailles et avec différentes puissances thermique, mais son fonctionnement est optimal lorsque sa puissance thermique est comprise entre 200 et 5000 kW, de préférence entre 500 et 2500 kW, et encore plus préférentiellement entre 600 et 2000 kW.
Un autre objet de l'invention est un procédé de gazéification de biomasse utilisant un gazéifieur selon l'invention, dans lequel - on introduit de la biomasse par ledit conduit d'entrée, - on introduit l'agent de gazéification par ledit cône de diffusion et par lesdits moyens d'injection situées dans la zone d'oxydation du gazéifieur, - on évacue les gaz de synthèse par ladite zone annulaire et ledit conduit d'évacuation de gaz de synthèse, et - on évacue les cendres à travers ladite grille et le conduit d'évacuation des cendres.
Dans un mode de réalisation avantageux de ce procédé, on injecte ledit agent de gazéification également par une entrée située au-dessus de la grille mais au-dessous de la zone d'oxydation.
Figures Les figures 1 à 4 montrent de manière schématique différents aspects d'un gazéifieur selon l'invention. Les figures 1, 2 et 4 montrent une coupe longitudinale, la figure 3 montre une vue du haut en coupe horizontale selon le plan A-A.
La figure 5a représente la variation de la température du gaz de synthèse en sortie du gazéifieur (courbe foncée), et la variation de la température du gaz dans la partie haute du réacteur (courbe claire). La figure 5b représente la variation de la pression en haut du gazéifieur (courbe claire), et la variation de la pression en bas du gazéifieur (courbe foncée).
6 Les repères suivants sont utilisés :
1 Conduit d'entrée pour biomasse 2 Vis sans fin 3 Bras rotatif 4 Conduit d'entrée de gaz réactif Conduit supérieur d'entrée de gaz réactif 6 Conduit inférieur d'entrée de gaz réactif
1 Conduit d'entrée pour biomasse 2 Vis sans fin 3 Bras rotatif 4 Conduit d'entrée de gaz réactif Conduit supérieur d'entrée de gaz réactif 6 Conduit inférieur d'entrée de gaz réactif
7 Conduit annulaire d'entrée de gas réactif
8 Grille
9 Bras rotatif Conduit d'évacuation des cendres 11 Zone annulaire 12 Conduit d'évacuation gaz de synthèse 13 Diffuseur de gaz réactif / Cône 14 Gazéifieur (réacteur) Lit 16 Zone de pyrolyse 17 Zone d'oxydation 18 Zone de réduction 19, 29 Buse d'injection de gaz réactif Zone d'entonnoir élargie vers le haut 21 Zone d'entonnoir élargie vers le bas 22 Corps du réacteur (partie supérieure) 23 Corps du réacteur (partie inférieure) 24 Zone d'oxydation homogène Zone de séchage 26 Biomasse 27 Trous d'injection Description détaillée Le gazéifieur 14 (appelé aussi plus généralement réacteur) selon l'invention a un corps de 5 réacteur de forme généralement cylindrique, ledit corps présentant une partie supérieure 22 et une partie inférieure 23. Dans un mode de réalisation, le diamètre de la partie inférieure 23 est plus grand que celui de la partie supérieure 22 à
cause de la présence d'une zone annulaire 11 à travers laquelle s'évacue le gaz de synthèse.
Selon l'invention illustrée sur les figures 1 et 2, la biomasse 26 est introduite dans le
cause de la présence d'une zone annulaire 11 à travers laquelle s'évacue le gaz de synthèse.
Selon l'invention illustrée sur les figures 1 et 2, la biomasse 26 est introduite dans le
10 gazéifieur 14 par le conduit d'entrée 1, typiquement au moyen d'une vis sans fin 2. Par biomasse on entend des matières organiques solides, tels que des déchets de bois sous diverses formes (plaquettes, granulés, broyats etc.), des sous-produits agricoles (par exemple de la paille), des résidus (boues) secs de station d'épuration, et toute autre matière organique susceptible d'être traitée dans les conditions pour lesquelles le gazéifieur 14 est conçu. Un bras rotatif 3 permet l'égalisation de la biomasse sur la surface disponible.
La figure 2 est une représentation simplifiée du réacteur 14 de la figure 1 et indique de manière schématique les positions approximatives des trois zones réactionnelles, à savoir la zone de pyrolyse 16, la zone d'oxydation 17 et la zone de réduction 18, et de la zone de séchage 25. Dans le réacteur 14 selon l'invention, la zone d'oxydation 17 se trouve approximativement à la hauteur de l'entrée de gaz réactif 4, la zone de pyrolyse 16 est située plus haut, au-dessus du cône diffuseur d'air 13, et la zone de réduction 18 plus bas, au-dessus de l'entrée inférieure de gaz réactif (qui est optionnelle) 6.
Les cendres passent à travers une grille 8 située dans la partie inférieure 23 du corps de réacteur, et s'accumulent au-dessous de ladite grille 8. Elles sont éliminées périodiquement ou de manière continue par un bras rotatif 9 (typiquement un double bras) à travers un conduit d'évacuation des cendres 10, comme cela est montré de manière schématique sur la figure 3.
La principale entrée d'agent de gazéification (gaz réactif) 4 est située à mi-hauteur du lit 15. Elle est constituée d'un ensemble de conduits ou tuyaux se terminant par des moyens d'injection 19,29, qui sont typiquement des buses d'injection, réparties sur la périphérie du corps 22 du réacteur 14 et alimentés par les conduits 4.
Dans le gazéifieur 14 selon l'invention une autre entrée de gaz réactif est prévue dans la partie supérieure du lit 15, par le conduit supérieur 5, terminé par un cône diffuseur de gaz réactif 13. Le cône diffuseur 13 permet une meilleure alimentation en gaz réactif de la zone d'oxydation 17 et une augmentation du rendement du dispositif.
En effet, les inventeurs se sont rendu compte qu'afin de lever la limitation en puissance d'un gazéifieur à lit fixe co-courant, il est nécessaire de permettre une alimentation en gaz réactif de l'ensemble de la zone d'oxydation. Plus particulièrement, les inventeurs ont constaté que les buses d'injection d'air périphériques ne suffisent plus dès lors que la puissance thermique dépasse environ 500 kW. En effet, la profondeur de pénétration limitée du gaz réactif dans la biomasse limite la puissance que l'on peut obtenir, sachant que la puissance thermique maximale est proportionnelle à la section du réacteur. A partir d'un certain diamètre D du réacteur, qui correspond à une puissance d'environ 500 kW, il faut donc améliorer l'injection de gaz réactif dans la zone d'oxydation ;
cette injection supplémentaire est bénéfique également pour des réacteurs plus petits.
Ce problème est résolu par le cône 13 fixé en partie centrale du gazéifieur, au-dessus de la zone d'oxydation, qui permet l'alimentation en gaz réactif du coeur de la zone d'oxydation. Ce cône 13 est alimenté en gaz réactif par une canne 5 placée dans l'axe du gazéifieur. Ce dispositif permet d'alimenter en gaz réactif de façon optimale le centre de la zone d'oxydation du gazéifieur, et d'atteindre des puissances thermiques atteignant 5 MW
avec de l'air comme gaz réactif.
Le cône diffuseur 13 est situé au-dessous du bras rotatif 3 qui égalise le niveau de la biomasse, il est noyé dans la biomasse 26. Lors du fonctionnement du réacteur 14, dans l'espace 24 à l'intérieur du cône 13 il se crée un espace vide de solide délimité en haut par le cône 13 et en bas par l'angle de talus formé par la biomasse 26.
D'autres avantages sont apparus, également liés à la présence de ce cône 13.
Le cône 13 définit deux parties bien distinctes dans le gazéifieur 14: une partie supérieure de séchage 25 et de pyrolyse 16 de la biomasse 26 et une partie inférieure d'oxydation 17 et de réduction 18 du coke. Son emplacement est défini de façon à optimiser le temps de séjour du solide dans chacune de ces parties. Cela permet de travailler de façon séquentielle et de maximiser la conversion des goudrons de pyrolyse. En effet, dans un réacteur classique, les goudrons sont émis dans la zone de pyrolyse et craqués dans la zone d'oxydation. Dans le réacteur selon l'invention, une partie des goudrons est oxydée dans le cône 13. La biomasse en cours de pyrolyse s'écoule le long de la paroi du cône 13. Les gaz de pyrolyse viennent remplir la zone 24. A l'intérieur du cône 13, qui ne contient pas de biomasse, il y a oxydation homogène des goudrons. Par oxydation homogène, on entend une oxydation en phase gazeuse. Cela permet une diminution drastique de la concentration en goudrons du gaz produit. Dans un gazéifieur en lit fixe à
co-courant de type connu, la concentration en goudrons est supérieure à 500 mg/Nm3 de gaz produit, alors qu'avec le dispositif selon l'invention, elle peut descendre à une valeur inférieure à 50 mg/Nm3, et même inférieure à 35 mg/Nm3.
La zone d'oxydation homogène 24 située à l'intérieur du cône 13 n'est pas occupée par la biomasse. Elle peut ainsi être utilisée pour démarrer le gazéifieur en réalisant une combustion de combustible fossile (gaz naturel, propane ou autre) introduit par un dispositif (non montré sur les figures) inséré dans la canne 5. La zone 24 permet également pendant la marche stabilisée du gazéifieur 14 d'oxyder directement à
l'air une partie du gaz de pyrolyse et des goudrons générés dans la partie supérieure 16.
Le cône 13 est en outre un dispositif d'échange thermique permettant d'apporter une partie de l'énergie nécessaire au séchage et à la pyrolyse de la biomasse 26.
En effet, la réaction d'oxydation est exothermique, alors que le séchage et la pyrolyse nécessite un apport d'énergie. Or, dans un gazéifieur classique l'énergie produite par l'oxydation n'est pas utilisable pour le séchage et/ou la pyrolyse car le lit de biomasse est un mauvais conducteur thermique. Le cône 13 est généralement constitué d'acier, qui est un bon conducteur thermique, ce qui permet de récupérer l'énergie produite par l'oxydation et de la transférer au moins en partie à la biomasse située dans les zones de pyrolyse 16 et de séchage 25.
Dans un mode de réalisation avantageux, le cône 13 présente avantageusement un diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et de préférence entre 30% et 50%, de la valeur du diamètre interne D de la partie supérieure 22 du corps de réacteur ; ces paramètres sont montrés sur la figure 4. L'angle interne a du cône 13 est avantageusement compris entre 60 et 120 , de préférence entre 70 et 110 .
Ces paramètres conduisent à une forme optimale de la zone d'oxydation 17. Si le cône est plus évasé, i.e. si son angle interne a est supérieur à 120 , d'une part l'écoulement de la biomasse au-dessus du cône est difficile, d'autre part la recirculation des gaz à l'intérieur du cône n'est pas suffisante pour permettre une bonne oxydation des gaz de pyrolyse. Si le cône est moins évasé, i.e. si son angle interne a est inférieur à 60 , il ne constitue pas un obstacle suffisant à l'écoulement de la biomasse et ne permet donc pas de définir une zone de pyrolyse au dessus du cône, de plus il ne permet pas la recirculation des gaz de pyrolyse à l'intérieur du cône.
Ainsi la présence simultanée dans la zone d'oxydation 17 des entrées d'air périphériques 4,19,29 et de l'entrée d'air centrale constituée par la canne et le cône 5,13 permet une alimentation en air homogène de la zone d'oxydation 17, ce qui permet d'augmenter le rendement du gazéifieur 14. La présence du cône 13 apporte en outre une zone supplémentaire d'oxydation des goudrons dans une zone spécifique située sous le cône.
Dans un réacteur à co-courant selon l'état de la technique, la concentration en particules du gaz produit est plus forte que dans un réacteur à contre-courant. En effet, le gaz traverse le coke en phase de réduction alors que sa granulométrie devient très fine. Le gaz entraîne ainsi une partie des particules de coke et de cendres en sortie de réacteur.
Dans le dispositif de l'invention, le problème devient critique du fait de l'augmentation de la puissance apportée par la présence du cône. De ce fait, afin de minimiser la teneur en particules du gaz de synthèse, il est important de limiter la vitesse du gaz de synthèse lorsqu'il quitte le lit de coke afin de réduire l'entraînement des particules.
Les dispositifs existants prévoient une sortie des gaz par la grille inférieure du gazéifieur, ils ne permettent pas de réduire la vitesse d'extraction du gaz, car la taille de la grille, et ses ouvertures, sont nécessairement limitées pour contenir le décendrage.
Dans un mode de réalisation particulier du dispositif 14 de la présente invention, le gaz de 5 synthèse quitte le réacteur 14 par la zone annulaire tronconique 11 située au-dessus de la grille 8. La superficie de cette zone annulaire tronconique 11 (définie par la surface du talus de biomasse au-dessus de la grille 8 est de l'ordre de trois à dix fois supérieure (préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus préférentiellement environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans la grille 8.
10 Ceci diminue du même facteur la vitesse d'extraction des gaz de synthèse par rapport à
leur extraction à travers la grille 8. Ainsi, le dispositif 14 de la présente invention permet une évacuation du gaz de synthèse à faible vitesse de manière à limiter l'entraînement des particules. En effet, du fait que la superficie de la zone d'évacuation annulaire 11 est très supérieure aux ouvertures pratiquées dans la grille, la vitesse d'extraction des gaz est très inférieure à ce qu'elle serait par une extraction à travers la grille 8.
L'entrainement des particules de coke et de cendre est ainsi très limité.
D'autres avantages liés à l'extraction des gaz par la zone annulaire 11 sont également apparus. La perte de charge dans le lit de solide a été fortement diminuée. En effet, la granulométrie la plus fine du lit de solide 15 se situe à proximité immédiate de la grille 8, la conversion du coke en gaz de synthèse produisant des grains de plus en plus fins. Cela signifie que la porosité du lit 15 est plus faible au dessus de la grille que dans la partie supérieure du lit de solide.
Lorsque l'extraction du gaz se fait sous la grille, le gaz doit traverser ce solide très fin pour passer à travers la grille, la perte de charge est très importante ce qui implique généralement d'installer un extracteur de forte puissance sur la ligne de gaz de synthèse et augmente la consommation électrique liée à l'extraction des gaz. De plus, il est également difficile de pousser la conversion du coke très loin car cela résulte en une granulométrie très fine. La teneur en carbone des cendres reste donc importante ce qui limite le taux de conversion de la biomasse en gaz de synthèse. Or, dans le gazéifieur 14 selon l'invention, l'extraction des gaz se fait au-dessus de la grille 8, les gaz n'ont donc pas à traverser la couche de particules fines. La granulométrie du coke peut être très fine sur la grille 8 sans augmenter la perte de charge sur la ligne de gaz de synthèse. Cela permet d'utiliser un extracteur de moindre puissance et de limiter la consommation électrique de ce poste.
La figure 2 est une représentation simplifiée du réacteur 14 de la figure 1 et indique de manière schématique les positions approximatives des trois zones réactionnelles, à savoir la zone de pyrolyse 16, la zone d'oxydation 17 et la zone de réduction 18, et de la zone de séchage 25. Dans le réacteur 14 selon l'invention, la zone d'oxydation 17 se trouve approximativement à la hauteur de l'entrée de gaz réactif 4, la zone de pyrolyse 16 est située plus haut, au-dessus du cône diffuseur d'air 13, et la zone de réduction 18 plus bas, au-dessus de l'entrée inférieure de gaz réactif (qui est optionnelle) 6.
Les cendres passent à travers une grille 8 située dans la partie inférieure 23 du corps de réacteur, et s'accumulent au-dessous de ladite grille 8. Elles sont éliminées périodiquement ou de manière continue par un bras rotatif 9 (typiquement un double bras) à travers un conduit d'évacuation des cendres 10, comme cela est montré de manière schématique sur la figure 3.
La principale entrée d'agent de gazéification (gaz réactif) 4 est située à mi-hauteur du lit 15. Elle est constituée d'un ensemble de conduits ou tuyaux se terminant par des moyens d'injection 19,29, qui sont typiquement des buses d'injection, réparties sur la périphérie du corps 22 du réacteur 14 et alimentés par les conduits 4.
Dans le gazéifieur 14 selon l'invention une autre entrée de gaz réactif est prévue dans la partie supérieure du lit 15, par le conduit supérieur 5, terminé par un cône diffuseur de gaz réactif 13. Le cône diffuseur 13 permet une meilleure alimentation en gaz réactif de la zone d'oxydation 17 et une augmentation du rendement du dispositif.
En effet, les inventeurs se sont rendu compte qu'afin de lever la limitation en puissance d'un gazéifieur à lit fixe co-courant, il est nécessaire de permettre une alimentation en gaz réactif de l'ensemble de la zone d'oxydation. Plus particulièrement, les inventeurs ont constaté que les buses d'injection d'air périphériques ne suffisent plus dès lors que la puissance thermique dépasse environ 500 kW. En effet, la profondeur de pénétration limitée du gaz réactif dans la biomasse limite la puissance que l'on peut obtenir, sachant que la puissance thermique maximale est proportionnelle à la section du réacteur. A partir d'un certain diamètre D du réacteur, qui correspond à une puissance d'environ 500 kW, il faut donc améliorer l'injection de gaz réactif dans la zone d'oxydation ;
cette injection supplémentaire est bénéfique également pour des réacteurs plus petits.
Ce problème est résolu par le cône 13 fixé en partie centrale du gazéifieur, au-dessus de la zone d'oxydation, qui permet l'alimentation en gaz réactif du coeur de la zone d'oxydation. Ce cône 13 est alimenté en gaz réactif par une canne 5 placée dans l'axe du gazéifieur. Ce dispositif permet d'alimenter en gaz réactif de façon optimale le centre de la zone d'oxydation du gazéifieur, et d'atteindre des puissances thermiques atteignant 5 MW
avec de l'air comme gaz réactif.
Le cône diffuseur 13 est situé au-dessous du bras rotatif 3 qui égalise le niveau de la biomasse, il est noyé dans la biomasse 26. Lors du fonctionnement du réacteur 14, dans l'espace 24 à l'intérieur du cône 13 il se crée un espace vide de solide délimité en haut par le cône 13 et en bas par l'angle de talus formé par la biomasse 26.
D'autres avantages sont apparus, également liés à la présence de ce cône 13.
Le cône 13 définit deux parties bien distinctes dans le gazéifieur 14: une partie supérieure de séchage 25 et de pyrolyse 16 de la biomasse 26 et une partie inférieure d'oxydation 17 et de réduction 18 du coke. Son emplacement est défini de façon à optimiser le temps de séjour du solide dans chacune de ces parties. Cela permet de travailler de façon séquentielle et de maximiser la conversion des goudrons de pyrolyse. En effet, dans un réacteur classique, les goudrons sont émis dans la zone de pyrolyse et craqués dans la zone d'oxydation. Dans le réacteur selon l'invention, une partie des goudrons est oxydée dans le cône 13. La biomasse en cours de pyrolyse s'écoule le long de la paroi du cône 13. Les gaz de pyrolyse viennent remplir la zone 24. A l'intérieur du cône 13, qui ne contient pas de biomasse, il y a oxydation homogène des goudrons. Par oxydation homogène, on entend une oxydation en phase gazeuse. Cela permet une diminution drastique de la concentration en goudrons du gaz produit. Dans un gazéifieur en lit fixe à
co-courant de type connu, la concentration en goudrons est supérieure à 500 mg/Nm3 de gaz produit, alors qu'avec le dispositif selon l'invention, elle peut descendre à une valeur inférieure à 50 mg/Nm3, et même inférieure à 35 mg/Nm3.
La zone d'oxydation homogène 24 située à l'intérieur du cône 13 n'est pas occupée par la biomasse. Elle peut ainsi être utilisée pour démarrer le gazéifieur en réalisant une combustion de combustible fossile (gaz naturel, propane ou autre) introduit par un dispositif (non montré sur les figures) inséré dans la canne 5. La zone 24 permet également pendant la marche stabilisée du gazéifieur 14 d'oxyder directement à
l'air une partie du gaz de pyrolyse et des goudrons générés dans la partie supérieure 16.
Le cône 13 est en outre un dispositif d'échange thermique permettant d'apporter une partie de l'énergie nécessaire au séchage et à la pyrolyse de la biomasse 26.
En effet, la réaction d'oxydation est exothermique, alors que le séchage et la pyrolyse nécessite un apport d'énergie. Or, dans un gazéifieur classique l'énergie produite par l'oxydation n'est pas utilisable pour le séchage et/ou la pyrolyse car le lit de biomasse est un mauvais conducteur thermique. Le cône 13 est généralement constitué d'acier, qui est un bon conducteur thermique, ce qui permet de récupérer l'énergie produite par l'oxydation et de la transférer au moins en partie à la biomasse située dans les zones de pyrolyse 16 et de séchage 25.
Dans un mode de réalisation avantageux, le cône 13 présente avantageusement un diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et de préférence entre 30% et 50%, de la valeur du diamètre interne D de la partie supérieure 22 du corps de réacteur ; ces paramètres sont montrés sur la figure 4. L'angle interne a du cône 13 est avantageusement compris entre 60 et 120 , de préférence entre 70 et 110 .
Ces paramètres conduisent à une forme optimale de la zone d'oxydation 17. Si le cône est plus évasé, i.e. si son angle interne a est supérieur à 120 , d'une part l'écoulement de la biomasse au-dessus du cône est difficile, d'autre part la recirculation des gaz à l'intérieur du cône n'est pas suffisante pour permettre une bonne oxydation des gaz de pyrolyse. Si le cône est moins évasé, i.e. si son angle interne a est inférieur à 60 , il ne constitue pas un obstacle suffisant à l'écoulement de la biomasse et ne permet donc pas de définir une zone de pyrolyse au dessus du cône, de plus il ne permet pas la recirculation des gaz de pyrolyse à l'intérieur du cône.
Ainsi la présence simultanée dans la zone d'oxydation 17 des entrées d'air périphériques 4,19,29 et de l'entrée d'air centrale constituée par la canne et le cône 5,13 permet une alimentation en air homogène de la zone d'oxydation 17, ce qui permet d'augmenter le rendement du gazéifieur 14. La présence du cône 13 apporte en outre une zone supplémentaire d'oxydation des goudrons dans une zone spécifique située sous le cône.
Dans un réacteur à co-courant selon l'état de la technique, la concentration en particules du gaz produit est plus forte que dans un réacteur à contre-courant. En effet, le gaz traverse le coke en phase de réduction alors que sa granulométrie devient très fine. Le gaz entraîne ainsi une partie des particules de coke et de cendres en sortie de réacteur.
Dans le dispositif de l'invention, le problème devient critique du fait de l'augmentation de la puissance apportée par la présence du cône. De ce fait, afin de minimiser la teneur en particules du gaz de synthèse, il est important de limiter la vitesse du gaz de synthèse lorsqu'il quitte le lit de coke afin de réduire l'entraînement des particules.
Les dispositifs existants prévoient une sortie des gaz par la grille inférieure du gazéifieur, ils ne permettent pas de réduire la vitesse d'extraction du gaz, car la taille de la grille, et ses ouvertures, sont nécessairement limitées pour contenir le décendrage.
Dans un mode de réalisation particulier du dispositif 14 de la présente invention, le gaz de 5 synthèse quitte le réacteur 14 par la zone annulaire tronconique 11 située au-dessus de la grille 8. La superficie de cette zone annulaire tronconique 11 (définie par la surface du talus de biomasse au-dessus de la grille 8 est de l'ordre de trois à dix fois supérieure (préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus préférentiellement environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans la grille 8.
10 Ceci diminue du même facteur la vitesse d'extraction des gaz de synthèse par rapport à
leur extraction à travers la grille 8. Ainsi, le dispositif 14 de la présente invention permet une évacuation du gaz de synthèse à faible vitesse de manière à limiter l'entraînement des particules. En effet, du fait que la superficie de la zone d'évacuation annulaire 11 est très supérieure aux ouvertures pratiquées dans la grille, la vitesse d'extraction des gaz est très inférieure à ce qu'elle serait par une extraction à travers la grille 8.
L'entrainement des particules de coke et de cendre est ainsi très limité.
D'autres avantages liés à l'extraction des gaz par la zone annulaire 11 sont également apparus. La perte de charge dans le lit de solide a été fortement diminuée. En effet, la granulométrie la plus fine du lit de solide 15 se situe à proximité immédiate de la grille 8, la conversion du coke en gaz de synthèse produisant des grains de plus en plus fins. Cela signifie que la porosité du lit 15 est plus faible au dessus de la grille que dans la partie supérieure du lit de solide.
Lorsque l'extraction du gaz se fait sous la grille, le gaz doit traverser ce solide très fin pour passer à travers la grille, la perte de charge est très importante ce qui implique généralement d'installer un extracteur de forte puissance sur la ligne de gaz de synthèse et augmente la consommation électrique liée à l'extraction des gaz. De plus, il est également difficile de pousser la conversion du coke très loin car cela résulte en une granulométrie très fine. La teneur en carbone des cendres reste donc importante ce qui limite le taux de conversion de la biomasse en gaz de synthèse. Or, dans le gazéifieur 14 selon l'invention, l'extraction des gaz se fait au-dessus de la grille 8, les gaz n'ont donc pas à traverser la couche de particules fines. La granulométrie du coke peut être très fine sur la grille 8 sans augmenter la perte de charge sur la ligne de gaz de synthèse. Cela permet d'utiliser un extracteur de moindre puissance et de limiter la consommation électrique de ce poste.
11 En outre, dans un autre mode de réalisation particulier du gazéifieur 14 selon l'invention, une autre entrée de gaz réactif est prévue sous la grille 8 par le conduit 7 qui peut être un conduit annulaire. Dans ce mode de réalisation, il est possible d'injecter du gaz réactif sous la grille 8 afin de maximiser la conversion du coke et de limiter la teneur en carbone des cendres. Cela se traduit par un gain en rendement du gazéifieur 14.
Dans un mode de réalisation particulier et avantageux, une entrée de gaz réactif au moyen d'un tube central 6 est prévue au-dessus de la grille 8. L'injection de gaz réactif au-dessus de la grille 8 permet d'étendre la zone chaude du coke vers le bas du réacteur 14. Ainsi, la conversion du coke est maximisée, et le rendement du gazéifieur 14 se trouve encore amélioré. Un mode de réalisation qui présente à la fois une entrée de gaz réactif 7 sous la grille 8 et une entrée d'air 6 débouchant dans des trous d'injection 27 situées au-dessus de la grille 8 est illustré sur la figure 1.
En outre, les entrées de gaz réactif 6,7 supplémentaire permettent une réduction significative de la teneur en carbone des cendres, et donc une augmentation du rendement global du gazéifieur 14.
Le gaz de synthèse produit par le gazéifieur 14 selon l'invention peut être brûlé ou utilisé
comme matière première dans des réactions chimiques, telles que la synthèse Fischer-Tropsch.
De manière typique, la paroi externe du gazéifieur 14 selon l'invention peut être réalisée en acier, et la paroi interne, qui est en contact avec la biomasse, en béton réfractaire.
Des essais ont été effectués sur un réacteur selon la figure 1 avec un diamètre intérieur D
de 740 mm et une puissance thermique maximale de l'ordre de 300 kW. Les températures dans les différentes zones du réacteur ont été déterminées dans différentes conditions de fonctionnement. De manière avantageuse, dans la zone de séchage 25, la température est de l'ordre de 90 à 120 C, dans la zone de pyrolyse 16 de l'ordre de 250 à
500 C, dans la zone d'oxydation 17 de l'ordre de 800 à 1300 C, et dans la zone de réduction 18 de l'ordre de 1100 à 700 C.
Dans un mode de réalisation particulier, le cône 13 a un angle interne oc d'environ 80 .
On a mesuré la température du gaz de synthèse et la température du gazéifieur durant les 15 premières heures de fonctionnement. On a également mesuré la pression en haut et en bas du gazéifieur. Les courbes sont présentées sur les figures 5a et 5b.
La température syngaz est la température du gaz produit à la sortie du gazéifieur. La température réacteur est la température du gaz dans la partie haute du gazéifieur. La pression bas réacteur est la pression mesurée en bas du gazéifieur. La pression haut réacteur est la pression mesurée en haut du gazéifieur. La différence entre ces
Dans un mode de réalisation particulier et avantageux, une entrée de gaz réactif au moyen d'un tube central 6 est prévue au-dessus de la grille 8. L'injection de gaz réactif au-dessus de la grille 8 permet d'étendre la zone chaude du coke vers le bas du réacteur 14. Ainsi, la conversion du coke est maximisée, et le rendement du gazéifieur 14 se trouve encore amélioré. Un mode de réalisation qui présente à la fois une entrée de gaz réactif 7 sous la grille 8 et une entrée d'air 6 débouchant dans des trous d'injection 27 situées au-dessus de la grille 8 est illustré sur la figure 1.
En outre, les entrées de gaz réactif 6,7 supplémentaire permettent une réduction significative de la teneur en carbone des cendres, et donc une augmentation du rendement global du gazéifieur 14.
Le gaz de synthèse produit par le gazéifieur 14 selon l'invention peut être brûlé ou utilisé
comme matière première dans des réactions chimiques, telles que la synthèse Fischer-Tropsch.
De manière typique, la paroi externe du gazéifieur 14 selon l'invention peut être réalisée en acier, et la paroi interne, qui est en contact avec la biomasse, en béton réfractaire.
Des essais ont été effectués sur un réacteur selon la figure 1 avec un diamètre intérieur D
de 740 mm et une puissance thermique maximale de l'ordre de 300 kW. Les températures dans les différentes zones du réacteur ont été déterminées dans différentes conditions de fonctionnement. De manière avantageuse, dans la zone de séchage 25, la température est de l'ordre de 90 à 120 C, dans la zone de pyrolyse 16 de l'ordre de 250 à
500 C, dans la zone d'oxydation 17 de l'ordre de 800 à 1300 C, et dans la zone de réduction 18 de l'ordre de 1100 à 700 C.
Dans un mode de réalisation particulier, le cône 13 a un angle interne oc d'environ 80 .
On a mesuré la température du gaz de synthèse et la température du gazéifieur durant les 15 premières heures de fonctionnement. On a également mesuré la pression en haut et en bas du gazéifieur. Les courbes sont présentées sur les figures 5a et 5b.
La température syngaz est la température du gaz produit à la sortie du gazéifieur. La température réacteur est la température du gaz dans la partie haute du gazéifieur. La pression bas réacteur est la pression mesurée en bas du gazéifieur. La pression haut réacteur est la pression mesurée en haut du gazéifieur. La différence entre ces
12 deux valeurs indique la perte de charge du lit de solide traversé par le gaz.
Les pressions sont indiquées en mmCE sur les courbes. Ce sont en fait des pressions négatives car le réacteur est en légère dépression.
Pour caractériser la composition chimique du gaz de synthèse obtenu, on a réalisé
successivement deux prélèvements de gaz (référencées SCA1 et SCA2) dans des bonnes conditions de fonctionnement du réacteur 14. L'analyse des deux bouteilles de gaz a été effectuée par microchromatographie en phase gazeuse. Les résultats sont présentés ci-dessous ; les pourcentages sont des valeurs volumiques.
SCA1 14,18% 0,89% 46,61% 1,77% 21,03% 7,28%
SCA2 14,00% 0,69% 46,03% 2,03% 20,89% 7,85%
Les pressions sont indiquées en mmCE sur les courbes. Ce sont en fait des pressions négatives car le réacteur est en légère dépression.
Pour caractériser la composition chimique du gaz de synthèse obtenu, on a réalisé
successivement deux prélèvements de gaz (référencées SCA1 et SCA2) dans des bonnes conditions de fonctionnement du réacteur 14. L'analyse des deux bouteilles de gaz a été effectuée par microchromatographie en phase gazeuse. Les résultats sont présentés ci-dessous ; les pourcentages sont des valeurs volumiques.
SCA1 14,18% 0,89% 46,61% 1,77% 21,03% 7,28%
SCA2 14,00% 0,69% 46,03% 2,03% 20,89% 7,85%
Claims (13)
1. Gazéifieur (14) à lit fixe à co-courant (14) destiné à transformer de la biomasse (26) en gaz de synthèse et cendres à l'aide d'un agent de gazéification, ledit gazéifieur (14) comportant un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant une partie supérieure (22) et une partie inférieure (23), dans lequel gazéifieur (14) la biomasse (26) est introduite par un conduit d'entrée (1) situé dans le haut de la partie supérieure (22) du corps (22) du gazéifieur (14), le gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse (12), et les cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure (23) du corps de réacteur à travers un conduit d'évacuation des cendres (10), et ledit gazéifieur (14) comportant, de haut en bas, - une zone de pyrolyse (16) de la biomasse (26), - une zone d'oxydation (17) de la biomasse (26), - une zone de réduction (18), - une grille (8) comportant une pluralité d'ouvertures à travers lesquelles passent les cendres pour être évacuées, et ledit gazéifieur (14) comportant des moyens d'introduction d'un agent de gazéification, tel que de l'air ou de l'oxygène, ledit gazéifieur (14) étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de l'agent de gazéification comprennent :
- un cône de diffusion (13) de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14), ou au-dessus de ladite zone d'oxydation (17), - des moyens d'injection (19,29) de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14).
- un cône de diffusion (13) de l'agent de gazéification situé en haut de la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14), ou au-dessus de ladite zone d'oxydation (17), - des moyens d'injection (19,29) de l'agent de gazéification situés dans la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14).
2. Gazéifieur (14) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une zone annulaire (11) dans laquelle le gaz de synthèse est collecté avant de quitter le gazéifieur (14) par ledit conduit d'évacuation du gaz de synthèse (12).
3. Gazéifieur (14) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit cône de diffusion (13) est situé au-dessous dudit conduit d'entrée (1) de la biomasse (26), et, lors du fonctionnement dudit gazéifieur, se trouve noyé dans la biomasse (26).
4. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit cône de diffusion (13) présente un diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et de préférence entre 30% et 50%, de la valeur du diamètre interne D
de la partie supérieure (22) du corps de réacteur.
de la partie supérieure (22) du corps de réacteur.
5. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle interne (.alpha.) du cône (13) est compris entre 60° et 120°, et de préférence entre 70° et 110°.
6. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lors du fonctionnement dudit gazéifieur le cône (13) définit une zone d'oxydation homogène (24).
7. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cône (13) définit deux parties distinctes dans le gazéifieur (14): une partie supérieure de séchage (25) et de pyrolyse (16) de la biomasse (26) et une partie inférieure d'oxydation (17) et de réduction (18) du coke.
8. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cône (13) est en outre un dispositif d'échange thermique permettant d'apporter une partie de l'énergie nécessaire au séchage et à la pyrolyse de la biomasse (26)
9. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en plus une entrée d'agent de gazéification (27) située au-dessus de la grille (8) mais au-dessous de la zone d'oxydation (17).
10. Gazéifieur (14) selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la superficie de ladite zone annulaire (11) est de trois à dix fois supérieure (préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus préférentiellement environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans la grille (8).
11. Gazéifieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que sa puissance thermique est comprise entre 200 et 5000 kW, de préférence entre 500 et 2500 kW, et encore plus préférentiellement entre 600 et 2000 kW.
en ce que sa puissance thermique est comprise entre 200 et 5000 kW, de préférence entre 500 et 2500 kW, et encore plus préférentiellement entre 600 et 2000 kW.
12. Procédé de gazéification de biomasse utilisant un gazéifieur selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, dans lequel - on introduit de la biomasse par ledit conduit d'entrée (1), - on introduit l'agent de gazéification par ledit cône de diffusion (13) et par lesdits moyens d'injection (19,29) situées dans la zone d'oxydation (17) du gazéifieur (14), - on évacue les gaz de synthèse par ladite zone annulaire (11) et ledit conduit d'évacuation de gaz de synthèse (12), et - on évacue les cendres à travers ladite grille (8) et le conduit d'évacuation des cendres (10).
13. Procédé de gazéification selon la revendication 12, dans lequel on injecte de ledit agent de gazéification également par une entrée (27) située au-dessus de la grille (8) mais au-dessous de la zone d'oxydation (17).
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