EP2171019A2 - Module, systeme et procede de traitement de biomasse a lit fixe horizontal - Google Patents

Module, systeme et procede de traitement de biomasse a lit fixe horizontal

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EP2171019A2
EP2171019A2 EP08805812A EP08805812A EP2171019A2 EP 2171019 A2 EP2171019 A2 EP 2171019A2 EP 08805812 A EP08805812 A EP 08805812A EP 08805812 A EP08805812 A EP 08805812A EP 2171019 A2 EP2171019 A2 EP 2171019A2
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EP
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biomass
module
treatment
pyrolysis
gasification
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Withdrawn
Application number
EP08805812A
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German (de)
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Isaac Behar
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    • C10J2300/0973—Water

Definitions

  • the present invention relates to a horizontal fixed bed biomass treatment module. It also relates to a system for pyrolysis and gasification of horizontal fixed bed biomass using at least two modules according to the invention. Finally, the invention relates to a method implemented in the system according to the invention.
  • the field of the invention is the field of treatment of biomass on a substantially horizontal fixed bed.
  • the invention is more particularly applicable to the pyrolysis and gasification of the mass biomass in a horizontal fixed bed system.
  • Gasification means an autothermal thermochemical conversion intended to convert a solid or liquid fuel into a gaseous fuel
  • synthesis gas or “synthetic gas” means the gases generated by "gasification”.
  • the charged gaseous gas stream comprises synthesis gases;
  • autothermic means that the energy contained in the gaseous fuel comes from solid or liquid fuel and that it is not necessary, once the gasification reaction has begun, to use any source of energy outside that available in the original solid or liquid fuel;
  • Exothermic reaction means a reaction that releases energy and
  • endothermic reaction means a reaction that absorbs energy.
  • gasifier means an assembly that allows “gasification” and that includes a “reactor” allowing the transforming a solid or liquid fuel into a gaseous fuel.
  • biomass means any carbon product directly or indirectly derived from photosynthesis and in particular but not limited to plants, animals, various organic waste, including household waste, sewage sludge, etc .
  • pulpverulent biomass means a biomass in the form of powder or particles small enough to be displaced by an average air flow or a reduced vacuum.
  • liquid biomass means a biomass that is in a more or less liquid form.
  • valves means any device that makes it possible to vary the flow of a pipe and therefore the pressure loss resulting from it, whether the control is manual, electric or pneumatic
  • Coal means a carbon product, comparable to vegetable coke obtained by pyrolysis
  • biomass means a relatively dense biomass that will remain in place in an air circuit or in a depressed zone; by way of non-limiting example, mention wood logs, or maxi chips, or products densified from pulverulent biomass;
  • pcs means the gross calorific value of a gas - "combustion” means a process that consists of converting biomass into heat with the formation of non-combustible oxidized gases;
  • oxygen means air, air enriched with oxygen or oxygen; it is also possible to include in the term “oxidant” the water vapor which has an oxidizing character.
  • the document FR 2 440 398 describes a system for gasification of biomass on a fixed bed with a horizontal grid fed continuously at one end with biomass, the grid fixed bed allowing the circulation of the treatment gas stream transversely with respect to the direction of flow of the biomass through two openings situated respectively upstream of an area, or module, of drying-pyrolysis of the biomass and upstream of an area, or module, of gasification of the biomass, these openings being connected to two separate vacuums.
  • the first upstream vacuum cleaner is connected to the opening located in the upstream drying-pyrolysis module and reinjects the hot gas treatment gas stream at the slope of the biomass to be treated in the immediate vicinity of an oxidizer pipe, thus allowing a forced circulation of hot gas through the biomass.
  • the opening located upstream of the gasification zone is connected to an aspirator which recovers the charged gaseous gas flow, that is to say the gaseous flow used for the treatment of the biomass loaded with the components that have formed during the treatment of the biomass or reaction of the treatment gas stream with at least one component of the biomass.
  • an aspirator which recovers the charged gaseous gas flow, that is to say the gaseous flow used for the treatment of the biomass loaded with the components that have formed during the treatment of the biomass or reaction of the treatment gas stream with at least one component of the biomass.
  • the pyrolysis gas stream is charged with numerous gaseous compounds in virtually unpredictable proportions such as:
  • the speed of advance of the biomass is unique for all juxtaposed reactors while the amount of water vapor and the amount of pyrolysis gas will decrease from the upstream system downstream of the system and will require also adjust the amount of oxidant in each juxtaposed reactor, which will also result in different temperatures in the sky of each of the juxtaposed reactors with also a significant risk of insufficient temperature in the sky juxtaposed reactors located in the downstream zone displacement of the biomass for efficient cracking of pyrolysis gases including tars, leading to a high tar content, or by increasing the risk of having to inject a quantity of oxidant greater than or equal to the stoichiometric amount in juxtaposed reactors downstream relative to the direction of movement of the biomass, leading then to the formation of an imp CO2, non-combustible gas.
  • An object of the invention is to provide a module, system and method for treating biomass with a better circulation of the treatment gas stream through the biomass to be treated, while remaining less complex and less expensive than the systems of the invention.
  • the invention thus proposes a module for treating the biomass with a gaseous treatment stream on a substantially horizontal fixed bed, this module having an inlet opening for the biomass to be treated on the fixed bed and an opening for evacuating the biomass after treatment, characterized in that the treatment module comprises several zones, called treatment zones, this module further comprising:
  • At least one means for injecting a treatment gas stream into the module the injection means being common to the treatment zones, and
  • the module according to the invention comprises homogeneous treatment zones each comprising means for extracting the charged treatment gas stream.
  • the process gas stream is extracted with a substantially constant pressure drop across all sections, thus allowing the process gas stream to effectively traverse all the biomass uniformly and substantially independently of differences in biomass thickness throughout the process. fixed bed.
  • the module according to the invention comprises means for injecting the treatment gas stream common to all the treatment zones thus making it possible to overcome the differences in the composition of the charged treatment gas stream extracted at the level of each of the zones. processing and the complexity of controlling the different operations that can take place in the module.
  • the different parts of the treatment gas stream extracted at each of the treatment zones are then combined and recycled together to be reinjected into the sky of the treatment module by injection means common to all the treatment zones.
  • the extraction means of the treatment gas stream loaded with a treatment zone comprise:
  • this horizontal fixed bed being composed for example of a grid permeable to the gaseous treatment flow loaded, and
  • At least one suction means of said treatment gas stream loaded through said opening At least one suction means of said treatment gas stream loaded through said opening.
  • the suction means of the charged treatment gas flow may be common to all the treatment zones and the size of each of the extraction openings of each of the treatment zones is substantially proportional to the thickness of the treatment zone. the biomass present at the level of the treatment zone so that the extraction pressure drop is substantially constant for all the treatment zones.
  • the suction means of the charged treatment gas stream may be common to all the treatment zones and the size of each of the extraction openings of each of the treatment zones being substantially constant, at least one suction control member is disposed at each of the extraction openings so that the pressure drop is substantially constant at all the treatment areas.
  • a regulating member may, for example, comprise a valve disposed at the level of the extraction opening and arranged to regulate the suction of charged treatment gas flow.
  • each valve of each opening of each treatment zone makes it possible to extract the treatment gas stream with a constant pressure drop. and resulting in an effective crossing of all the biomass by the gaseous treatment stream.
  • the module may advantageously comprise means for measuring the thickness of the biomass present on the horizontal bed at each treatment and control zone of each of the valves as a function of the measured biomass thickness.
  • the size of all the extraction openings of all the treatment zones may be substantially constant.
  • Each of the extraction openings of each of the treatment zones may comprise a suction means adjusted so that the extraction pressure drop is substantially constant at all the treatment zones.
  • An aspirator may be placed at each of the extraction openings of each of the treatment zones, the suction of each being adjusted according to the biomass thickness present on the fixed bed at each of the treatment areas.
  • the module according to the invention may comprise a device for advancing the biomass on said horizontal fixed bed, from the inlet opening to the discharge opening.
  • a substantially horizontal fixed bed biomass treatment system comprising:
  • a single reactor for treating biomass comprising a first and a second biomass treatment module, as described above, communicating with one another:
  • the first pyrolysis module pyrolyzing the biomass admitted by the inlet opening with a pyrolysis gas stream and comprising first means for extracting the charged pyrolysis gas stream, and
  • the second gasification module which gasifies said biomass from the pyrolysis module by a gaseous gasification stream and comprises second extraction means for the charged gasification gas stream;
  • charged pyrolysis gas stream means the treatment gas stream used for the pyrolysis of the biomass charged with the components. gaseous and solid gases that formed during the pyrolysis of biomass in the pyrolysis module.
  • charged gaseous gas stream means the gaseous treatment stream used for the gasification of the biomass charged with the gaseous components that have formed during the gasification of the biomass in the gasification module and possibly solid particles entrained by the flow of gas. gasification.
  • the system according to the invention may further comprise a pyrolysis gas feed circuit charged into the reactor sky, where the charged pyrolysis gas stream is partially oxidized in the presence of oxidant to obtain the gaseous treatment stream. biomass.
  • the oxidant may be injected into the reactor skies by injection means. These injection means may for example comprise adjustable injection nozzles for varying the amount of oxidant injected into the sky of the reactor.
  • the charged pyrolysis gas feed circuit may comprise a device for entrainment, by venturi effect, of the pulverulent biomass in the sky of the reactor, said pulverulent biomass being in a reservoir or a module from which it is extracted. by the depression created by a venturi device, with, if necessary, a partial suspension of the pulverulent biomass, mechanically, or otherwise.
  • the pulverulent biomass can be fluidized at room temperature or at high temperature before being extracted by venturi effect.
  • the pulverulent biomass injected into the sky of the reactor is then pyrolyzed and gasified.
  • the system according to the invention makes it possible to carry out the pyrolysis and gasification of pulverulent biomass, together with the pyrolysis and gasification of the mass biomass.
  • the pyrolysed powder biomass can then react with the mass biomass present on the horizontal fixed bed, thus making it possible to purify the gaseous components that appear during the pyrolysis and the gasification of the pulverulent biomass.
  • the system according to the invention may advantageously comprise means making it possible to maintain the pulverulent biomass in the form a fluidized bed. These means may comprise mechanical means.
  • the biomass can also be maintained in a fluidized bed by injecting a gas stream into the powder biomass reservoir.
  • the gas flow injected into the pulverulent biomass reservoir may be a part of the charged pyrolysis gas.
  • the pulverulent biomass is partly pyrolyzed and gasified in the tank in which it is located.
  • liquid biomass simultaneously with the mass biomass by adding a drying module of the liquid biomass upstream
  • the system according to the invention further comprising a module comprising means atomization of the liquid biomass in the form of fine droplets treated with a hot gas stream allowing almost instantaneous evaporation of the liquid without the biomass not reaching 250 0 C to avoid causing a pyrolysis operation, by the conjunction of the heat input by the hot gas, and the endothermic reaction of the evaporation of the liquid, thus allowing the elimination of the liquid, which may be water, the pyrolysis of the dry powdered biomass, obtained by drying liquid biomass, being in the sky of the reactor.
  • the system according to the invention may comprise at least one heat exchanger designed to recover, at least in part, the thermal energy of charged gaseous gas flow and / or charged pyrolysis gas flow. At least a portion of this thermal energy can be used to heat a drying gas stream used to dry solid biomass, or pulverulent biomass, or liquid biomass in drying modules arranged upstream of the reactor, before the introduction of the biomass in the treatment reactor.
  • system according to the invention may comprise means for separating at least one gaseous component, called synthesis gas, present in the charged gaseous gas stream extracted from the gasification module.
  • synthesis gas at least one gaseous component
  • the pyrolysis module and the gasification module are superimposed.
  • the pyrolysis module is disposed above the gasification module.
  • the biomass has a direction of circulation opposite to the direction of circulation of the biomass in the pyrolysis module.
  • the system further comprises at least one passage opening allowing the gaseous treatment flow to pass from the pyrolysis module in the gasification module.
  • a method for treating biomass on a substantially horizontal fixed bed with a treatment gas stream comprises the following steps: pyrolysis of the biomass in a module, called pyrolysis, by the gaseous treatment stream;
  • the method according to the invention further comprises an introduction of the biomass on the horizontal fixed bed and an extraction of the residues of the biomass after gasification.
  • the process according to the invention further comprises an injection of the charged pyrolysis gas stream into the reactor, where said charged pyrolysis gas stream is oxidized in a controlled manner in the presence of oxidant to obtain the treatment gas stream.
  • the oxidizer can be air enriched with oxygen or oxygen, or water vapor and injected directly into the sky of the reactor.
  • the process according to the invention comprises an injection of pulverulent biomass into the reactor skies, this pulverulent biomass being entrained by the charged pyrolysis gas stream, by venturi effect.
  • the biomass injected into the sky of the reactor is then pyrolyzed and gasified in the sky of the reactor.
  • the mass biomass on the horizontal fixed bed makes it possible to purify the pyrolysis and gasification gases of the pulverulent biomass.
  • the pulverulent biomass can be in the form of a fluidized bed in a tank connected to the feed circuit of the charged pyrolysis gas stream.
  • the liquid biomass can be previously transformed into pulverulent biomass by atomization of the liquid biomass in the form of fine droplets in a drying module, the liquid biomass droplets being treated with a hot gas stream allowing rapid evaporation of the liquid.
  • the pulverized biomass obtained is then injected into the sky of the reactor to be pyrolyzed and / or gasified.
  • the method according to the invention may further comprise at least one heat exchange for recovering, at least in part, the thermal energy of the charged gaseous gas stream. At least a portion of this thermal energy can then be used for the drying of the mass biomass during a drying step prior to pyrolysis and / or the drying of the liquid biomass and its conversion into pulverulent biomass.
  • the process according to the invention may comprise a step of separating at least one gaseous component from the charged gaseous gas stream.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the module according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the module according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of a third embodiment of the module according to the invention
  • FIG. 4 is a diagrammatic representation of a system for treating mass, powder and liquid biomass according to the invention
  • FIG. 5 is a representation of a first embodiment of a reactor implemented in the system according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a second embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic representation of the system of Figure 6 in a sectional top view
  • FIG. 8 is a schematic representation of the principle of entrainment of the pulverulent biomass by the charged pyrolysis gas stream
  • FIG. 9 is a schematic representation of a very fast pyrolysis / gasification module of the powdered biomass fluidized by the charged pyrolysis gas and driven by depression by the charged pyrolysis gas stream
  • FIG. 10 is a schematic representation of a liquid biomass drying module for obtaining pulverulent biomass.
  • Figures 1 to 3 are three schematic representations of three embodiments of a mass biomass processing module 10.
  • the modules 10 shown in FIGS. 1 to 3 comprise a substantially horizontal fixed bed L receiving the biomass B to be treated by an inlet opening 11.
  • Each module 10 comprises an injection means 13 of the treatment gaseous flow in the sky of the module 10.
  • the module 10 has several treatment zones 14 of the biomass B which has a decreasing thickness of the admission opening 11 to the evacuation opening. 12.
  • Each of the zones of treatment 13 has an opening 15 for extracting the charged treatment gas stream which opens onto a single pipe common to all the extraction openings 15 of all the treatment zones 13.
  • the injection means 13 of the treatment gas flow are common to all the treatment zones 14 thus making it possible to overcome compositional differences in the treated treatment gas stream extracted at each of the treatment zones 14 and the complexity. control of the various operations that can take place in the module.
  • the different parts of the treatment gas stream extracted at each of the treatment zones 14 are then combined and recycled together to, for example, be reinjected into the sky of the treatment module 10 by the common injection means 13 to all the treatment areas 14.
  • each treatment zone 14 comprises an extraction opening 15.
  • the size of each of the extraction openings 15 of each of the treatment zones 14 is substantially constant.
  • the module 10 comprises suction means 17 of the charged treatment gas stream common to all the treatment zones 14.
  • a valve 16 At each extraction opening 15 is disposed a valve 16 whose opening is proportional to the thickness of the the biomass present at the corresponding treatment zone 14, so that the pressure drop is constant for all the evacuation openings 15 of the module 10.
  • the opening of the valves 16 decreases from the admission opening 11 to the discharge opening 12 in proportion to the thickness of the biomass present on the bed L.
  • the module comprises suction means 17 for the charged treatment gas stream common to all the treatment zones 14.
  • the size of each of the extraction openings 15 is proportional to the thickness of the biomass present at the corresponding treatment zone 14 so that the extraction pressure drop is substantially constant for all the treatment zones 14.
  • the treatment zone 14 located near the inlet opening 11 the size of the opening extraction 15 is large because the thickness of the biomass in this area is large while at the level of the treatment zone 14 located near the discharge opening 12, the size of the opening of Extraction 15 is small because the thickness of the biomass at this zone is small.
  • the size of the extraction openings 15 decreases from the inlet opening 11 to the discharge opening 12 because the thickness of the biomass decreases from the inlet opening to the discharge opening.
  • the module 10 comprises extraction apertures 15 whose size is substantially constant for all the treatment zones 14.
  • Each opening 15 of each treatment zone 14 comprises a means of suction 18, the suction of which is adjusted proportionally to the thickness of the biomass present on the bed L at this treatment zone 14, so that the pressure drop of extraction is substantially constant for all the treatment zones 14 the treatment module
  • the module 10 further comprises means 19 for advancing the biomass of the inlet opening 11 to the discharge opening 12.
  • These means 19 have a movement back and forth symbolized by the double arrow at a predetermined and adjustable frequency to push the biomass towards the discharge opening.
  • the gaseous treatment flow is injected into the sky of the module 10 on the side of the discharge opening 12 towards the side of the inlet opening 11.
  • a module for treating biomass according to the invention, on a fixed horizontal bed has the following advantages:
  • Gasification is a complex process that involves an incomplete oxidation of the biomass and therefore the supply of an insufficient quantity of oxygen with respect to the stoichiometric quantity necessary to transform all the available carbon in the biomass into carbon dioxide (CO2). , and hydrogen in water (H2O).
  • Pyrolysis is endothermic and therefore consumes energy, at least as long as the temperature is below 250 0 C; above 400 0 C, pyrolysis looks more and more like a combustion and it releases more heat than it consumes; between 250 0 C and 400 0 C equilibrium occurs between the endothermic reactions and exothermic reactions.
  • Oxidation of carbon into CO2 releases a large amount of energy; the incomplete oxidation of carbon to CO also releases energy, but in a lesser quantity, d) Reduction
  • gasification from a purely scientific point of view, is described, in its ultimate phase as a heterogeneous reaction, that is to say a surface reaction between the carbon (C) contained in the solid and a reactant gas that may be water vapor
  • reaction (3) reaction (3) and (4) which provide the necessary energy.
  • the rate of conversion of solid carbon into gas and the composition of these are determined by: a. The equilibrium constants of the various reactions implemented b. The speeds of these reactions. vs. The composition of the oxidant mixture
  • the objective of the gasification process used in the system according to the invention is to promote the reactions (1) and
  • FIG. 4 is a schematic representation of a mass, powdered and / or liquid biomass treatment system.
  • the system 20 comprises a module 21/22 for drying the mass biomass by a drying gas stream GS.
  • the dried mass biomass, or being dried, is supplied by feed means 22 into the reactor 23 where it is pyrolyzed and gasified. This reactor will be detailed below.
  • the charged pyrolysis gas stream GPC is then purified by purification means 24 to remove the residues present in this gas.
  • the charged pyrolysis gas stream is injected into the sky of the reactor 23 to be oxidized in a controlled manner in the presence of an oxidant C which may in particular be air, and generate the pyrolysis and gasification gas streams biomass B.
  • the pulverulent biomass, contained in a reservoir 26, is driven by the venturi effect created by the GPC loaded pyrolysis gas stream circulating in the feed circuit.
  • the pulverulent biomass entrained by the GPC-charged pyrolysis gas stream is injected at the same time as the GPC-loaded pyrolysis gas stream in the reactor 23, where the gasification of the pulverulent biomass takes place.
  • the mass biomass present on the horizontal fixed bed can thus react with the pyrolysed powder biomass and thus make it possible to purify the gaseous components that appear during the pyrolysis and the gasification of the pulverulent biomass.
  • the reactor makes it possible to perform the combined gasification of the mass biomass present in the reactor and the pulverulent biomass entrained by the GPC-loaded pyrolysis gas stream.
  • the liquid biomass BL is first converted into pulverulent biomass BP in the module 25 by dispersion of the liquid biomass BL in the form of fine droplets treated with a hot gas stream allowing rapid evaporation of the liquid.
  • the gaseous gasification gas stream GGC extracted from the gasification module is purified by purification means 27 to remove residues, then enters a heat exchanger 28 to exchange at least a portion of its thermal energy with a drying gas stream GS , used for drying the mass biomass in drying module 21/22 and also for converting liquid biomass BL into pulverulent biomass BP in module 25.
  • the drying gas stream GS can for example be air or any other gas stream generally used for drying the biomass.
  • the charged GGC gasification gas stream having exchanged a portion of its thermal energy with the drying gas stream GS then enters a separation module 29 effecting the separation of the synthesis gases GS1, GS2, GS3 present in the charged gasification gas stream. .
  • the synthesis gases GS1, GS2, GS3 are, for example, hydrogen, CO, and CO2, respectively.
  • the purification means 24 and 27 are cleaning means of the cyclone type, sleeves or others.
  • the reactor 23 must have a sky connected to an external source of gas.
  • the fuel gas G will be burned in the reactor skylight and the air contained in the reactor will heat up progressively and pass transversely through the biomass to be treated through the extraction openings located in the lower part of the modules 231 and 232.
  • As the pyrolysis progresses it will develop, maintained by the combustion of the supplied gas, until the biomass has reached a temperature sufficient for the pyrolysis to be self-sustaining. It is then possible to close the pipeline supplying the external gas G and maintaining the pyrolysis and the gasification only by the energy produced by the oxidation of the pyrolysis gases.
  • the oxidation zone must therefore comprise at least one burner for burning the pyrolysis initiation gas with the addition of oxidant (in particular air or oxygen or oxygen enriched air) and a second burner for burning the pyrolysis gases. less than using a single burner capable of burning the filler gas and the pyrolysis gases present in the charged pyrolysis gas stream, closing the gas supply pipe when the pyrolysis gas supply is sufficient to maintain the reaction and opening it automatically in the case where the pyrolysis gas combustion flame goes out for some reason, or by providing a pilot for this purpose fed by a supply gas.
  • oxidant in particular air or oxygen or oxygen enriched air
  • FIG. 5 shows a first embodiment of a reactor 23 implemented in the system according to the invention.
  • the reactor 23 comprises two modules 231 and 232, according to the invention, which are arranged one behind the other.
  • the two modules 231 and 232 communicate with each other so that the biomass B in the reactor passes from the module 231 to the module 232.
  • the module 231 is the pyrolysis module and performs the pyrolysis of the biomass introduced into the reactor through an amission opening 233.
  • This inlet opening 233 is also the inlet opening of the biomass B in the pyrolysis module.
  • the pyrolysis module 231 has a plurality of treatment zones, each of the treatment zones comprising an opening for extracting the pyrolysis gases (or the charged pyrolysis gas stream). The size of these extraction openings is proportional to the thickness of biomass present in the corresponding treatment zones.
  • the pyrolysis module 231 comprises a vacuum cleaner common to all the extraction openings and making it possible to extract the GPC-loaded pyrolysis gas stream.
  • the module 232 is the gasification module and carries out the gasification of the biomass from the pyrolysis module 231.
  • the gasification residues are evacuated from the gasification module by an evacuation opening 235. These residues are accommodated in a receptacle 236 which discharges residues out of the reactor.
  • the gasification module 232 has a plurality of treatment zones, each of the treatment zones comprising an opening for extracting the gasification gases (or the charged gasification gas stream). The size of these extraction openings is proportional to the thickness of biomass present in the corresponding treatment zones.
  • the gasification module 232 comprises a vacuum cleaner common to all the extraction openings and making it possible to extract the gaseous gasification gas flow GGC.
  • the means 234 making it possible to advance the biomass are common to the pyrolysis modules 231 and the gasification modules 232, as well as the fixed bed L.
  • FIG. 6 is a representation of a second embodiment of the reactor 23 implemented in the system according to the invention.
  • the reactor 23 comprises two modules 231 and 232, according to the invention, which are arranged one above the other.
  • the two modules 231 and 232 communicate with each other via two openings: the passage opening 237 allowing the passage of the pyrolysed biomass pyrolysis module 231 to the gasification module 232, and the passage opening 238 allowing the treatment gas flow. to switch from the pyrolysis module 231 in the gasification module 232.
  • the biomass is pyrolyzed in the module 231 on the bed Ll. It is pushed along the bed L1 by means 2341.
  • the biomass passes by gravitation in the gasification module 232 through the passage opening 237.
  • the biomass is then gasified in the module 232 of gasification.
  • the treatment gas stream injected into the sky of the pyrolysis module 231 passes into the gasification module 232 via at least one passage opening 238.
  • the biomass is pushed all along the bed L2, in the gasification module 232, by means of Means 2342.
  • the residues fall by gravity into the receptacle 236 and are evacuated.
  • Figure 7 gives a schematic representation in a top view of the system shown in Figure 6, in section along the axis AA. As can be seen, the passage openings 238 connecting the skies of the pyrolysis module and the sky of the gasification module in no way prevent the longitudinal passage of the biomass on the fixed bed Ll of the pyrolysis module.
  • the means for advancing the biomass along the fixed bed (s) are push-type means driven back and forth.
  • Other systems allowing the advancement of biomass can be substituted for the pusher moving back and forth, for example, without limitation, scrapers or conveyor belts, further, the advancement of the residues, such as that ashes recovered in the receptacle 236 is made by a worm or any equivalent device.
  • the relative suction speed of the vacuum cleaner of each of the pyrolysis and gasification modules is adjusted according to the volume of gas corresponding to the volume of injected gas (oxidant) + the volume of gas generated by the biomass.
  • Unrepresented devices for measuring the temperature and control as a function of the temperatures recorded will be arranged in different zones of the reactor assembly and biomass feed.
  • the temperature measuring devices will be placed in the reactor sky, along the pyrolysis gate L1 and the gasification gate L2. These measurements can be used to control, in particular and in a nonlimiting manner, the circulation velocity of the treatment gas flow, the quantity of oxidant injected per unit time, the speed of displacement of the biomass in the pyrolysis module, the speed of injection of powder biomass, the speed of advancement of the biomass in the gasification module, the objective being to control these various parameters in order to obtain the maximum power of the reactor.
  • devices for measuring the temperature of the biomass in the feed and drying device will make it possible to regulate the rate of circulation of the air conveying the recovered thermal energy, in particular so as to maintain the temperature of the biomass below 250 0 C to avoid triggering a pyrolysis operation.
  • Sampling and chemical analysis devices will be, by way of non-limiting examples, located at the level of the charged pyrolysis gas flow circuit and the gaseous gasification stream comprising the synthesis gases and will be used to control the other described parameters.
  • FIG. 6 The embodiment shown in Figure 6 is the preferred mode.
  • the three biomass circulation stages corresponding to pyrolysis, gasification and ash extraction are represented, each stage occupying the entire length of the reactor and changing direction at each stage; it is the variant that should lead to maximum power with space and relatively constant cost.
  • the system according to the invention allows a significant gain in power, at a relatively constant cost and size.
  • the recycling of pyrolysis gases in a single sky eliminates the major drawback of the system described in document FR 2,487,847.
  • the use of the pyrolysis gas reinjection circuit in the reactor sky to allow rapid pyrolysis of the pulverulent biomass together with the pyrolysis of the mass biomass circulating horizontally makes it possible to further increase the power of the reactor at a substantially constant cost and bulk.
  • FIG. 8 is a representation of the first driving principle of the pulverulent biomass BP by the GPC loaded pyrolysis gas stream.
  • the pulverulent biomass reservoir BP has a supply opening 261 made of pulverulent biomass BP and an opening 262 connected to the GPC-charged pyrolysis gas flow circuit in which the charged pyrolysis gas stream GPC circulates at a high speed.
  • This circuit has a throat 264 located upstream and near the opening 262 of the reservoir 26 of pulverulent biomass BP.
  • the passage of the GPC loaded pyrolysis gas stream by this constriction creates a venturi effect driving the pulverulent biomass BP in the charged pyrolysis gas flow circuit and thus making it possible to extract the pulverulent biomass BP from the reservoir 26.
  • the reservoir 26 may comprise mechanical means 263 for suspending and keeping in suspension the pulverulent biomass BP in the reservoir 26.
  • the pyrolysis and the Gasification of pulverulent biomass is done in the sky of the reactor 23.
  • FIG. 9 is a second principle for driving the pulverulent biomass BP by the GPC loaded pyrolysis gas stream.
  • the pulverulent biomass reservoir BP has a supply opening 261 made of pulverulent biomass BP and an opening 262 connected to the GPC-charged pyrolysis gas flow circuit in which the charged pyrolysis gas stream GPC circulates at a high speed.
  • This circuit has a throat 264 located upstream and near the opening 262 of the reservoir 26 of pulverulent biomass BP.
  • the passage of the pyrolysis gas stream GPC loaded by this constriction creates a venturi effect driving the pulverulent biomass BP into the charged pyrolysis gas flow circuit.
  • the reservoir 26 furthermore has an opening 265.
  • this opening 265 is connected to the GPC-charged pyrolysis gas flow circuit and a portion of the charged pyrolysis gas flow GPC passes through this opening and enters the reservoir 26.
  • the velocity of the charged pyrolysis gas stream GPC contributes to the creation and maintenance of a fluidized bed of pulverulent biomass.
  • the GPC-charged pyrolysis gas stream entering the reservoir being hot, the pyrolysis and the gasification of the biomass is at least partly in the reservoir 26.
  • the residues of the pyrolysis / gasification of the pulverulent biomass BP are entrained and injected into the sky of the reactor 23 by the GPC loaded pyrolysis gas stream.
  • FIG. 10 is a schematic representation of the drying module of liquid biomass BL for obtaining pulverulent biomass BP.
  • the liquid biomass BL is in a tank 250.
  • the liquid biomass BL at the bottom of this tank is sprayed into the top of the tank 250, by any method of atomizing a liquid, in the form of
  • the reservoir 250 further comprises an inlet opening 252 of a hot drying gas stream GS which is projected towards the fine droplets of liquid biomass BL.
  • the meeting of the fine droplets of liquid biomass BL and the drying gas stream GS produces the almost instantaneous evaporation of the liquid, by releasing a pulverulent biomass BP and water vapor H 2 O.
  • the pulverulent biomass mixture BP and steam H 2 O water is then sent through an opening 254 to a cyclone 255 effecting the separation of pulverulent biomass BP and water vapor H 2 O.
  • the transformation of liquid biomass into pulverulent biomass can comprise several modules similar to tank 250, in parallel and the completion of the drying of the pulverulent biomass can be obtained by several modules similar to cyclone 255 operating in series allowing both to dry the pulverulent biomass and separate it from the water vapor thus generated.
  • Means for extracting the pyrolysis and charged gasification gases that compensate for the variation in pressure drop as a function of the height of the biomass
  • the pyrolysis zone is correspondingly increased by reducing the drying zone within the reactor, thereby accelerating the rate of passage of the biomass, • reducing the amount of water vapor that is always in excess in the biomass, whose evaporation is endothermic, which avoids having to compensate for the loss of energy by a greater consumption of the carbon contained in the biomass and makes it possible to increase the CGI of the synthesis gas, reducing the amount of water vapor in the charged gasification gas, the pci per volume of gas is automatically increased, the water vapor not being combustible.
  • the power of the reactor is further increased and we are expanding the nature of gasifiable biomasses.
  • the system that is the subject of the invention makes it possible to modulate the power of the reactor by reducing the power with respect to the maximum possible power for a given size and cost, which could be useful if the energy requirement periodically decreases for example. in Week-end.

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Abstract

L'invention concerne un module de traitement de biomasse. (B) massique et pulvérulente et/ou liquide par un flux gazeux de traitement sur un lit fixe sensiblement horizontal, ledit module présentant une ouverture d'admission (233) de la biomasse à traiter sur ledit lit fixe et une ouverture d'évacuation (237) de la biomasse après traitement, caractérisé en ce que ledit module de traitement comprend plusieurs zones, dites de traitement, ledit module comprenant en outre : au moins un moyen d'injection (13) d'un flux gazeux de traitement dans ledit module, ledit moyen d' injection étant commun audites zones de traitement, et pour chacune desdites zones de traitement, des moyens d'extraction (15) du flux gazeux de traitement chargé obtenu après traitement avec une perte de charge d'extraction sensiblement constante pour l'ensemble desdites zones de traitement. L'invention concerne également un système et un procédé de pyrolyse et de gazéification de la biomasse massique, pulvérulente et liquide mettant en oeuvre au moins deux modules selon l'invention, communicant entre eux.

Description

« Module, système et procédé de traitement de biomasse à lit fixe horizontal »
La présente invention concerne un module de traitement de la biomasse à lit fixe horizontal. Elle concerne également un système de pyrolyse et de gazéification de la biomasse à lit fixe horizontal mettant en oeuvre au moins deux modules selon l'invention. Enfin, l'invention concerne un procédé mis en oeuvre dans le système selon l'invention.
Le domaine de l'invention est le domaine du traitement de la biomasse sur lit fixe sensiblement horizontal. L'invention s'applique plus particulièrement à la pyrolyse et à la gazéification de la biomasse massique dans un système à lit fixe horizontal.
Dans cette description :
- par « gazéification » on entend une transformation thermochimique autothermique destinée à convertir un combustible solide ou liquide en un combustible gazeux ;
- par « gaz de synthèse » ou « Gaz synthétique » on entend les gaz générés par la « gazéification ». Ainsi, le flux gazeux de gazéification chargé comprend des gaz de synthèse ; - par « autothermique » on entend que l'énergie contenue dans le combustible gazeux provient du combustible solide ou liquide et qu'on n'a pas besoin, une fois la réaction de gazéification amorcée, d'avoir recours à toute source d'énergie extérieure à celle disponible dans le combustible solide ou liquide d'origine ; - par « réaction exothermique », on entend une réaction qui dégage de l'énergie et par « réaction endothermique » on entend une réaction qui absorbe de l'énergie.
- par « craquage » on entend l'opération qui consiste à casser une molécule organique complexe en éléments plus petits, ce qui entraîne la formation d'hydrocarbures plus légers à partir d'hydrocarbures plus lourds.
- par « gazéifieur » on entend un ensemble qui permet la « gazéification » et qui comprend un « réacteur » permettant la transformation d'un combustible solide ou liquide en un combustible gazeux.
- par « réacteur » on entend une enceinte qui permet des transformations thermochimiques. - par « biomasse » on entend tous produits carbonés issus directement ou indirectement de la photosynthèse et notamment mais pas de manière limitative les végétaux, les animaux, les déchets organiques divers, dont les déchets ménagers, les boues d'épuration des eaux etc.; - par « biomasse pulvérulente » on entend une biomasse qui se présente sous forme de poudre ou de particules suffisamment petites pour être déplacées par un courant d'air moyen ou par un vide réduit. A titre d'exemple non limitatif citons la sciure de bois, les farines, et de manière plus générale des biomasses à très faible densité et notamment les fractions légères des tris sélectifs des ordures ménagères ;
- par « biomasse liquide » on entend une biomasse qui se présente sous une forme plus ou moins liquide. A titre d'exemple non limitatif citons les boues d'épuration des eaux qui, du fait de la forte teneur en eau se présentent sous une forme liquide.
- par « vannes » on entend tout dispositif permettant de faire varier le débit d'une canalisation et donc la perte de charge en résultant, que la commande soit manuelle, électrique ou pneumatique
- par « Charbon » on entend un produit carboné, assimilable à du coke végétal obtenu par pyrolyse ;
- par « biomasse massique » on entend une biomasse relativement dense qui restera en place dans un circuit d'air ou dans un zone en dépression ; à titre d'exemple non limitatif citons des bûches de bois, ou des maxi copeaux, ou encore des produits densifiés à partir de biomasse pulvérulente ;
- par « pci » on entend pouvoir calorifique inférieur du gaz de synthèse ;
- par « pcs » on entend pouvoir calorifique supérieur d'un gaz - par « combustion » on entend un procédé qui consiste à transformer de la biomasse en chaleur avec formation de gaz oxydés non combustibles ;
- par « comburant » on désigne de l'air, air enrichi d'oxygène ou de l'oxygène ; on peut également intégrer dans le terme « comburant » la vapeur d'eau qui présente un caractère oxydant.
Le document FR 2 440 398 décrit un système de gazéification de la biomasse sur un lit fixe à grille horizontale, alimenté en continu à une extrémité par de la biomasse, le lit fixe à grille permettant la circulation du flux gazeux de traitement transversalement par rapport au sens de cheminement de la biomasse à travers deux ouvertures situées respectivement en amont d'une zone, ou module, de séchage-pyrolyse de la biomasse et en amont d'une zone, ou module, de gazéification de la biomasse, ces ouvertures étant connectées à deux aspirateurs séparés. Le premier aspirateur situé en amont est connecté à l'ouverture située dans le module amont de séchage-pyrolyse et réinjecte le flux gazeux de traitement de gaz chauds au niveau du talus de la biomasse à traiter au voisinage immédiat d'une canalisation de comburant, permettant ainsi une circulation forcée de gaz chaud au travers de la biomasse. L'ouverture située en amont de la zone de gazéification est connectée à un aspirateur qui récupère le flux gazeux de gazéification chargé, c'est-à-dire le flux gazeux servant au traitement de la biomasse chargé des composants qui se sont formés lors du traitement de la biomasse ou par réaction du flux gazeux de traitement avec au moins un composant de la biomasse. Par exemple, lors de la pyrolyse le flux gazeux de pyrolyse se charge de nombreux composés gazeux en des proportions pratiquement imprévisibles tels que :
• CO (monoxyde de carbone); gaz inflammable (sa combustion donne du dioxyde de carbone.
• H2 (hydrogène); gaz inflammable (sa combustion donne de l'eau). • CO2 (dioxyde de carbone); seul gaz non inflammable, car saturé en oxygène, issu de la pyrolyse ;
• CH4 (méthane); gaz inflammable, très présent dans le gaz naturel; • CnHm (hydrocarbures légers), gaz inflammables (butane, propane etc.) présents uniquement à l'état de traces parmi les gaz tirés du gazogène,
• CyHw (hydrocarbures lourds entraînés par les gaz de pyrolyse (liqueur pyroligneuse, goudron).
En même temps la teneur en carbone de la biomasse croît constamment. Le système décrit dans le document FR 2 440 398 présente un inconvénient qui est la difficulté de faire effectivement traverser toute la biomasse par le flux gazeux de traitement. Pour remédier à cet inconvénient, le document FR 2 487 847 propose un système dans lequel une série de réacteurs séparés sont juxtaposés, de l'amont vers l'aval, chaque réacteur comportant un aspirateur dans la partie basse de chaque réacteur, injectant le flux gazeux ainsi récupéré dans le ciel de chaque réacteur séparé, le comburant étant séparément injecté dans chaque ciel de chaque réacteur séparé. Les dispositions prévues dans ce document conduiront à un système dont les réactions de séchage, de pyrolyse et de gazéification seront très difficiles à contrôler. En effet, la vitesse d'avancement de la biomasse est unique pour tous les réacteurs juxtaposés alors que la quantité de vapeur d'eau et la quantité de gaz de pyrolyse décroîtront de l'amont du système vers l'aval du système et il faudra également ajuster la quantité de comburant dans chaque réacteur juxtaposé, ce qui se traduira en outre par des températures différentes dans le ciel de chacun des réacteurs juxtaposés avec également un risque important d'une température insuffisante dans le ciel des réacteurs juxtaposés situés dans la zone aval du déplacement de la biomasse pour un craquage efficace des gaz de pyrolyse dont les goudrons, conduisant à une teneur élevée en goudron, ou par l'accroissement du risque de devoir injecter une quantité de comburant supérieure ou égale à la quantité stoechiométrique dans les réacteurs juxtaposés situés en aval par rapport au sens de déplacement de la biomasse, conduisant alors à la formation d'une quantité importante de CO2, gaz non combustible. En plus de la complexité de contrôle des opérations, le système décrit dans ce document est complexe à réaliser et onéreux. Un objectif de l'invention est de proposer un module, système et procédé de traitement de la biomasse avec une meilleure circulation du flux gazeux de traitement au travers de la biomasse à traiter, tout en restant moins complexe et moins onéreux que les systèmes de l'état de l'art. L'invention propose ainsi un module de traitement de la biomasse par un flux gazeux de traitement sur un lit fixe sensiblement horizontal, ce module présentant une ouverture d'admission de la biomasse à traiter sur le lit fixe et une ouverture d'évacuation de la biomasse après traitement, caractérisé en ce que le module de traitement comprend plusieurs zones, dites de traitement, ce module comprenant en outre :
-au moins un moyen d'injection d'un flux gazeux de traitement dans le module, le moyen d'injection étant commun aux zones de traitement, et
- pour chacune des zones de traitement, des moyens d'extraction du flux gazeux de traitement chargé obtenu après traitement avec une perte de charge d'extraction sensiblement constante pour l'ensemble des zones de traitement.
Le module selon l'invention comprend des zones de traitement homogènes comprenant chacune des moyens d'extraction du flux gazeux de traitement chargé. Le flux gazeux de traitement est extrait avec une perte de charge sensiblement constante pour toutes les sections, permettant ainsi au flux gazeux de traitement de traverser effectivement toute la biomasse de manière uniforme et sensiblement indépendamment des différences d'épaisseur de la biomasse tout le long du lit fixe. Par ailleurs, le module selon l'invention comprend des moyens d'injection du flux gazeux de traitement communs à toutes les zones de traitement permettant ainsi de s'affranchir de différences de composition du flux gazeux de traitement chargé extrait au niveau de chacune des zones de traitement et de la complexité de contrôle des différentes opérations pouvant avoir lieu dans le module. En effet, les différentes parties du flux gazeux de traitement extraites au niveau de chacune des zones de traitement sont ensuite réunies et recyclées ensemble pour être réinjectées dans le ciel du module de traitement par des moyens d'injection communs à toutes les zones de traitement. Avantageusement, les moyens d'extraction du flux gazeux de traitement chargé d'une zone de traitement comprennent :
-au moins une ouverture d'extraction aménagée sous le lit fixe horizontal, ce lit fixe horizontal étant composé par exemple d'une grille perméable au flux gazeux de traitement chargé, et
-au moins un moyen d'aspiration dudit flux gazeux de traitement chargé au travers de ladite ouverture.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'aspiration du flux gazeux de traitement chargé peuvent être communs à toutes les zones de traitement et la taille de chacune des ouvertures d'extraction de chacune des zones de traitement est sensiblement proportionnelle à l'épaisseur de la biomasse présente au niveau de la zone de traitement de manière que la perte de charge d'extraction est sensiblement constante pour toutes les zones de traitement. Selon un autre mode de réalisation, les moyens d'aspiration du flux gazeux de traitement chargé peuvent être communs à toutes les zones de traitement et la taille de chacune des ouvertures d'extraction de chacune des zones de traitement étant sensiblement constante, au moins un organe de régulation d'aspiration est disposé au niveau de chacune des ouvertures d'extraction de manière que la perte de charge est sensiblement constante au niveau de toutes les zones de traitement. Un tel organe de régulation peut, par exemple, comprendre une vanne disposée au niveau de l'ouverture d'extraction et agencée pour réguler l'aspiration de flux gazeux de traitement chargé. Ainsi, la régulation de chaque vanne de chaque ouverture de chaque zone de traitement en fonction de l'épaisseur de biomasse présente au niveau de chacune des zones de traitement, permet d'avoir une extraction du flux gazeux de traitement avec une perte de charge constante et entraînant une traversée effective de toute la biomasse par le flux gazeux de traitement. Le module peut avantageusement comprendre des moyens de mesure de l'épaisseur de la biomasse présente sur le lit horizontal au niveau de chaque zone de traitement et de contrôle de chacune des vannes en fonction de l'épaisseur de biomasse mesurée. Selon encore un autre mode de réalisation, la taille de toutes les ouvertures d'extraction de toutes les zones de traitement peut être sensiblement constante. Chacune des ouvertures d'extraction de chacune des zones de traitement peut comprendre un moyen d'aspiration ajusté de manière que la perte de charge d'extraction est sensiblement constante au niveau de toutes les zones de traitement. Un aspirateur peut être placé au niveau de chacune des ouvertures d'extraction de chacune des zones de traitement, l'aspiration de chacune étant réglée en fonction de l'épaisseur de biomasse présente sur le lit fixe au niveau de chacune des zones de traitement.
Par ailleurs, le module selon l'invention peut comprendre un dispositif pour faire avancer la biomasse sur ledit lit fixe horizontal, de l'ouverture d'admission vers l'ouverture d'évacuation.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système de traitement de biomasse sur lit fixe sensiblement horizontal, ce système comprenant :
- une ouverture d'admission de ladite biomasse à traiter sur ledit lit fixe horizontal ;
- un réacteur unique de traitement de la biomasse, comprenant un premier et un deuxième module de traitement de la biomasse, tel que décrit ci-dessus, communicant entre eux :
- le premier module, dit de pyrolyse, réalisant une pyrolyse de la biomasse admise par l'ouverture d'admission par un flux gazeux de pyrolyse et comprenant des premiers moyens d'extraction du flux gazeux de pyrolyse chargé, et
- le deuxième module, dit de gazéification, réalisant une gazéification de ladite biomasse provenant du module de pyrolyse par un flux gazeux de gazéification et comprenant des deuxièmes moyens d'extraction du flux gazeux de gazéification chargé ; et
- une ouverture d'évacuation de résidus de la gazéification de la biomasse.
Par flux gazeux de pyrolyse chargé on entend le flux gazeux de traitement servant à la pyrolyse de la biomasse chargé des composants gazeux liquides et solides qui se sont formés lors de la pyrolyse de la biomasse dans le module de pyrolyse.
Par flux gazeux de gazéification chargé on entend le flux gazeux de traitement servant à la gazéification de la biomasse chargé des composants gazeux qui se sont formés lors de la gazéification de la biomasse dans le module de gazéification et éventuellement de particules solides entraînées par le flux de gazéification.
Le système selon l'invention peut en outre comprendre un circuit d'amené du flux gazeux de pyrolyse chargé dans le ciel du réacteur, où le flux gazeux de pyrolyse chargé est partiellement oxydé en présence de comburant pour obtenir le flux gazeux de traitement de la biomasse. Le comburant peut être injecté dans le ciel du réacteur par des moyens d'injection. Ces moyens d'injection peuvent par exemple comprendre des buses d'injection réglable permettant de varier la quantité de comburant injecté dans le ciel du réacteur.
Par ailleurs, le circuit d'amené des gaz de pyrolyse chargé peut comprendre un dispositif d'entraînement, par effet venturi, de la biomasse pulvérulente dans le ciel du réacteur, ladite biomasse pulvérulente se trouvant dans un réservoir ou un module dont elle est extraite par la dépression créée par un dispositif venturi, avec, si besoin était, une mise en suspension partielle de la biomasse pulvérulente, mécaniquement, ou autrement.
Dans un autre mode de réalisation, la biomasse pulvérulente peut être fluidisée à température ambiante ou à haute température avant d'être extraite par effet venturi. Avantageusement, la biomasse pulvérulente injectée dans le ciel du réacteur est ensuite pyrolysée et gazéifiée. Ainsi le système selon l'invention permet de réaliser, la pyrolyse et la gazéification de la biomasse pulvérulente, en même temps que la pyrolyse et la gazéification de la biomasse massique. La biomasse pulvérulente pyrolysée peut alors réagir avec la biomasse massique présente sur le lit fixe horizontal permettant ainsi d'épurer les composants gazeux qui apparaissent lors de la pyrolyse et la gazéification de la biomasse pulvérulente.
Le système selon l'invention peut avantageusement comprendre des moyens permettant de maintenir la biomasse pulvérulente sous la forme d'un lit fluidisé. Ces moyens peuvent comprendre des moyens mécaniques. La biomasse peut aussi être maintenue en lit fluidisé par injection d'un flux gazeux dans le réservoir de biomasse pulvérulente.
Dans un mode de réalisation particulier, le flux gazeux injecté dans le réservoir de biomasse pulvérulente peut être une partie des gaz de pyrolyse chargé. Dans ce cas la biomasse pulvérulente est en partie pyrolysée et gazéifiée dans le réservoir dans lequel elle se trouve.
Dans un autre mode de réalisation particulier, il est possible de traiter de la biomasse liquide, simultanément avec la biomasse massique en ajoutant en amont un module de séchage de la biomasse liquide, le système selon l'invention comprenant en outre un module comprenant des moyens d'atomisation de la biomasse liquide sous forme de fines gouttelettes traitées par un flux gazeux chaud permettant l'évaporation quasi instantanée du liquide sans pour autant que la biomasse n'atteigne 2500C pour éviter d'entraîner une opération de pyrolyse, par la conjonction de l'apport de chaleur par le gaz chaud, et la réaction endothermique de l'évaporation du liquide, permettant ainsi l'élimination du liquide, qui peut être de l'eau, la pyrolyse de la biomasse pulvérulente sèche, obtenue par séchage de la biomasse liquide, se faisant dans le ciel du réacteur. Avantageusement, le système selon l'invention peut comprendre au moins un échangeur thermique prévu pour récupérer, au moins en partie, l'énergie thermique de flux gazeux de gazéification chargé et/ou du flux gazeux de pyrolyse chargé. Au moins une partie de cette énergie thermique peut être utilisée pour chauffer un flux gazeux de séchage utilisé pour sécher la biomasse solide, ou la biomasse pulvérulente, ou la biomasse liquide dans des modules de séchage disposés en amont du réacteur, avant l'introduction de la biomasse dans le réacteur de traitement.
Par ailleurs le système selon l'invention peut comprendre des moyens de séparation d'au moins un composant gazeux, dit gaz de synthèse, présent dans le flux gazeux de gazéification chargé extrait du module de gazéification.
Dans une mode de réalisation particulier du système selon l'invention le module de pyrolyse et le module de gazéification sont superposés. Le module de pyrolyse est disposé au dessus du module de gazéification. Dans le module de gazéification la biomasse a un sens de circulation opposé au sens de circulation de la biomasse dans le module de pyrolyse. Dans ce mode de réalisation particulier, le système comprend en outre au moins un ouverture de passage permettant au flux gazeux de traitement de passer du module de pyrolyse dans le module de gazéification.
Suivant encore un autre aspect de l'invention il est proposé un procédé de traitement de biomasse sur lit fixe sensiblement horizontal, avec un flux gazeux de traitement. Ce procédé comprend les étapes suivantes : - pyrolyse de la biomasse dans un module, dit de pyrolyse, par le flux gazeux de traitement ;
- gazéification de la biomasse dans un module, dit de gazéification, par le flux gazeux de traitement, les modules de pyrolyse et de gazéification étant en communication entre eux et disposés dans un réacteur unique, chacun des modules comprenant plusieurs zones, dites de traitement, le procédé comprenant en outre
- une injection du flux gazeux de traitement dans le ciel des modules, l'injection étant commune aux zones de traitement de chacun de modules, - une extraction du flux gazeux de pyrolyse chargé, cette extraction étant réalisée avec une perte de charge sensiblement constante pour chacune des zones de traitement du module de pyrolyse, et
- une extraction du flux gazeux de gazéification chargé, cette extraction étant réalisée avec une perte de charge sensiblement constante pour chacune des zones de traitement du module de gazéification.
Le procédé selon l'invention comprend en outre une introduction de la biomasse sur le lit fixe horizontale et une extraction des résidus de la biomasse après gazéification. Avantageusement, le procédé selon l'invention comprend en outre une injection du flux gazeux de pyrolyse chargé dans le ciel du réacteur, où ledit flux gazeux de pyrolyse chargé est oxydé de manière ménagée en présence de comburant pour obtenir le flux gazeux de traitement. Le comburant peut être de l'air de l'air enrichi en oxygène ou de l'oxygène, ou encore de la vapeur d'eau et injecté directement dans le ciel du réacteur.
Avantageusement, le procédé selon l'invention comprend une injection de biomasse pulvérulente dans le ciel du réacteur, cette biomasse pulvérulente étant entraînée par le flux gazeux de pyrolyse chargé, par effet venturi. La biomasse injectée dans le ciel du réacteur est ensuite pyrolysée et gazéifiée dans le ciel du réacteur. La biomasse massique se trouvant sur le lit fixe horizontal permet d'épurer les gaz de pyrolyse et de gazéification de la biomasse pulvérulente. La biomasse pulvérulente peut se trouver sous la forme d'un lit fluidisé dans un réservoir connecté au circuit d'amené du flux gazeux de pyrolyse chargé.
La biomasse liquide peut être préalablement transformée en biomasse pulvérulente par atomisation de la biomasse liquide sous forme de fines gouttelettes dans un module de séchage, les gouttelettes de biomasse liquides étant traitées par un flux gazeux chaud permettant l'évaporation rapide du liquide. La biomasse pulvérulente obtenue est ensuite injectée dans le ciel du réacteur pour y être pyrolysée et/ou gazéifiée.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre au moins un échange thermique pour récupérer, au moins en partie, l'énergie thermique du flux gazeux de gazéification chargé. Au moins une partie de cette énergie thermique peut ensuite être utilisée pour le séchage de la biomasse massique lors d'une étape de séchage préalable à la pyrolyse et/ou le séchage de la biomasse liquide et sa transformation en biomasse pulvérulente.
Enfin, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape de séparation d'au moins un composant gazeux dans le flux gazeux de gazéification chargé.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation du module selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation du module selon l'invention ; la figure 3 est une représentation schématique d'un troisième mode de réalisation du module selon l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un système de traitement de la biomasse massique, pulvérulente et liquide selon l'invention ;
- la figure 5 est une représentation d'un premier mode de réalisation d'un réacteur mis en œuvre dans le système selon l'invention ;
- la figure 6 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un système selon l'invention ;
- la figure 7 est une représentation schématique du système de la figure 6 selon une vue de dessus en coupe ; - la figure 8 est une représentation schématique du principe d'entraînement de la biomasse pulvérulente par le flux gazeux de pyrolyse chargé ; la figure 9 est une représentation schématique d'un module de pyrolyse/gazéification très rapide de la biomasse pulvérulente fluidisée par le gaz de pyrolyse chargé et entraîné par dépression par le flux gazeux de pyrolyse chargé ; et la figure 10 est une représentation schématique d'un module de séchage de la biomasse liquide pour obtenir de la biomasse pulvérulente. Les figures 1 à 3 sont trois représentations schématiques de trois modes de réalisation d'un module 10 de traitement de biomasse massique. Les modules 10 représentés sur les figures 1 à 3 comprennent un lit L fixe sensiblement horizontal recevant la biomasse B à traiter par une ouverture d'admission 11. Les résidus après traitement de la biomasse B sont évacués hors du module 10 par une ouverture d'évacuation 12. Chaque module 10 comprend un moyen d'injection 13 du flux gazeux de traitement dans le ciel du module 10. Le module 10 présente plusieurs zones de traitement 14 de la biomasse B qui présente une épaisseur décroissante de l'ouverture d'admission 11 vers l'ouverture d'évacuation 12. Chacune des zones de traitement 13 présente une ouverture 15 d'extraction du flux gazeux de traitement chargé qui débouche sur une canalisation unique commune à toutes les ouvertures d'extraction 15 de toues les zones de traitement 13.
Les moyens d'injection 13 du flux gazeux de traitement sont communs à toutes les zones de traitement 14 permettant ainsi de s'affranchir de différences de composition du flux gazeux de traitement chargé extrait au niveau de chacune des zones de traitement 14 et de la complexité de contrôle des différentes opérations pouvant avoir lieu dans le module. Les différentes parties du flux gazeux de traitement extraites au niveau de chacune des zones de traitement 14 sont ensuite réunies et recyclées ensemble pour, par exemple, être réinjecté dans le ciel du module de traitement 10 par les moyens d'injection communs 13 à toutes les zones de traitement 14.
Selon le premier mode de réalisation, représenté en figure 1, chaque zone de traitement 14 comprend une ouverture d'extraction 15. La taille de chacune des ouvertures d'extraction 15 de chacune des zones de traitement 14 est sensiblement constante. Le module 10 comprend des moyens d'aspiration 17 du flux gazeux de traitement chargé communs à toutes les zones de traitement 14. Au niveau de chaque ouverture d'extraction 15 est disposée une vanne 16 dont l'ouverture est proportionnelle à l'épaisseur de la biomasse présente au niveau de la zone de traitement 14 correspondante, de façon que la perte de charge est constante pour toutes les ouvertures d'évacuation 15 du module 10. Ainsi, l'ouverture des vannes 16 décroît de l'ouverture d'admission 11 jusqu'à l'ouverture d'évacuation 12 proportionnellement à l'épaisseur de la biomasse présente sur le lit L.
Selon un deuxième mode de réalisation, représenté en figure 2, le module comprend des moyens d'aspiration 17 du flux gazeux de traitement chargé communs à toutes les zones de traitement 14. Cependant, dans ce deuxième mode de réalisation, la taille de chacune des ouvertures d'extraction 15 est proportionnelle à l'épaisseur de la biomasse présente au niveau de la zone de traitement 14 correspondante de manière que la perte de charge d'extraction est sensiblement constante pour toutes les zones de traitement 14. Par exemple au niveau de la zone de traitement 14 se trouvant à proximité de l'ouverture d'admission 11, la taille de l'ouverture d'extraction 15 est grande car l'épaisseur de la biomasse au niveau de cette zone est grande alors que au niveau de la zone de traitement 14 se trouvant à proximité de l'ouverture d'évacuation 12, la taille de l'ouverture d'extraction 15 est petite car l'épaisseur de la biomasse au niveau de cette zone est faible. Ainsi la taille des ouvertures d'extraction 15 décroît de l'ouverture d'admission 11 vers l'ouverture d'évacuation 12 car l'épaisseur de la biomasse décroît de l'ouverture d'admission vers l'ouverture d'évacuation.
Selon le troisième mode de réalisation, représenté en figure 3, le module 10 comprend des ouvertures d'extraction 15 dont la taille est sensiblement constante pour toutes les zones de traitement 14. Chaque ouverture 15 de chaque zone de traitement 14 comprend un moyen d'aspiration 18 dont l'aspiration est réglée proportionnellement à l'épaisseur de la biomasse présente sur le lit L au niveau de cette zone de traitement 14, de manière que la perte de charge d'extraction est sensiblement constante pour toutes les zones de traitement 14 du module de traitement
10.
Quel que soit le mode de réalisation, le module 10 comprend en outre des moyens 19 pour faire avancer la biomasse de l'ouverture d'admission 11 vers l'ouverture d'évacuation 12. Ces moyens 19 ont un mouvement de va et vient symbolisé par la double flèche à une fréquence prédéterminée et réglable permettant de pousser la biomasse vers l'ouverture d'évacuation.
Le flux gazeux de traitement est injecté dans la ciel du module 10 du coté de l'ouverture d'évacuation 12 vers le coté de l'ouverture d'admission 11.
Un module de traitement de la biomasse selon l'invention, sur lit horizontal fixe, présente les avantages suivants :
- traitement uniforme de la biomasse quelle que soit la hauteur de la biomasse présente sur le lit fixe dans les différentes zones, - traitement de la biomasse par un flux gazeux sensiblement de même composition quelle que soit la zone de traitement. Nous allons maintenant décrire un système selon l'invention mettant en ouvre deux modules de traitement selon l'invention dans le cas particulier d'une pyrolyse et d'une gazéification de la biomasse. Pour pouvoir apprécier les avantages de l'invention dans le cas particulier de la gazéification de la biomasse, il est indispensable de bien comprendre les réactions exothermiques et endothermiques qui interviennent simultanément et/ou successivement dans la gazéification quand la température du bois augmente progressivement, le bois étant considéré comme exemple non limitatif de la biomasse.
Il est légitime d'opposer les procédés de combustion qui consistent à transformer de la biomasse en chaleur avec formation de gaz oxydés non combustibles, et les procédés de gazéification qui consistent à transformer l'énergie comprise dans un solide ou un liquide en un gaz combustible et donc non entièrement oxydé.
La gazéification est un procédé complexe qui suppose une oxydation incomplète de la biomasse et donc l'apport d'une quantité insuffisante d'oxygène par rapport à la quantité stoechiométrique nécessaire pour transformer tout le carbone disponible dans la biomasse en dioxyde de carbone (CO2), et l'hydrogène en eau (H2O).
La gazéification est un procédé thermochimique de conversion d'un combustible solide ou liquide en un combustible gazeux. Il s'agit dès lors d'une combustion incomplète car elle doit aboutir à des gaz combustibles. Elle a lieu en quatre étapes. a) Séchage
II s'agit d'évaporer l'humidité. Celle-ci diminue en effet le pouvoir calorifique du bois. b) Pyrolyse C'est la première des étapes qui a lieu à l'intérieur du réacteur. C'est, aussi généralement l'étape limitante en temps de nombreux procédés de gazéification.
Au cours de la pyrolyse, le bois se décompose par la chaleur et donne un "coke végétal" qu'on peut appeler charbon de bois ou « charbon ». Il est très riche en carbone et contient également de l'hydrogène. Il est exempt d'oxygène, qui s'est échappé sous forme de CO, de H2O (eau) et de CO2.
En même temps que se forme ce "char", apparaissent de l'eau, sous forme de vapeur d'eau, ainsi que plusieurs gaz en des proportions pratiquement imprévisibles: • CO (monoxyde de carbone); gaz inflammable (sa combustion donne du dioxyde de carbone.
• H2 (hydrogène); gaz inflammable (sa combustion donne de l'eau).
• CO2 (dioxyde de carbone); seul gaz non inflammable, car saturé en oxygène, issu de la pyrolyse ;
• CH4 (méthane); gaz inflammable, très présent dans le gaz naturel;
• CnHm (hydrocarbures légers), gaz inflammables (butane, propane etc.) présents uniquement à l'état de traces parmi les gaz tirés du gazogène • CyHw (hydrocarbures lourds) entraînés par les gaz de pyrolyse
Tous ces gaz sont issus du bois, dont la teneur en carbone croît constamment.
La pyrolyse est endothermique et elle consomme donc de l'énergie, du moins tant que la température est inférieure à 2500C ; au-delà de 4000C, la pyrolyse ressemble de plus en plus à une combustion et elle dégage plus de chaleur qu'elle n'en consomme ; entre 2500C et 4000C un équilibre a lieu entre les réactions endothermiques et les réactions exothermiques.
Au cours de la pyrolyse il se forme également des hydrocarbures lourds sous forme de liquides pyroligneux ou de goudrons. c) Oxydation - combustion
En présence d'oxygène (air), celui-ci réagit avec le carbone à partir de 4000C et déclenche une réaction de combustion. La chaleur nécessaire à la pyrolyse vient de la combustion du carbone contenu dans la biomasse, qui est produit intermédiairement par la pyrolyse. Ceci suppose qu'au départ, lors du démarrage du gazogène, un apport d'énergie extérieure soit effectué qui ne sera plus nécessaire, une fois les réactions complexes de gazéification initiées. L'étape d'oxydation peut également servir à la destruction par « craquage » des molécules complexes qui forment les goudrons.
L'oxydation de carbone en CO2 dégage une forte quantité d'énergie ; l'oxydation incomplète de carbone en CO dégage également de d'énergie, mais en quantité moindre, d) Réduction
En chimie, on appelle réduction toute réaction qui mène vers des composés plus pauvres en oxygène. C'est la dernière étape du processus complexe de gazéification qui aboutit à la formation de gaz combustibles. Cette opération est endothermique.
Pour résumer, la gazéification, d'un point de vue purement scientifique, se décrit, dans sa phase ultime comme une réaction hétérogène, c'est-à-dire une réaction de surface entre le carbone (C) contenu dans le solide et un gaz réactant qui peut être de la vapeur d'eau
(H2O) ou du dioxyde de carbone (CO2) conformément aux réactions (1) et
(2) ci-dessous.
(1) C + H2O <«→> CO+H2 (2) C + CO2 <«→ 2 CO
Ces deux réactions se produisent au niveau de la surface réactive de la particule, surface qui varie entre la surface extérieure de la particule et la surface totale des pores de la particule en fonction des propriétés de diffusion au coeur du solide et des cinétiques chimiques. Elles sont lentes, comparées à l'oxydation totale ou partielle par l'oxygène lors de la combustion : réaction (3) et (4) qui apportent l'énergie nécessaire.
(3) C+O2 -* CO2
(4) C + 1/2O2 -* CO
Le taux de conversion du carbone solide en gaz et la composition de ces derniers sont déterminés par : a. Les constantes d'équilibres des diverses réactions mises en œuvre b. Les vitesses de ces réactions. c. La composition du mélange de comburant Sur le plan industriel l'objectif du procédé de gazéification mis en œuvre dans le système selon l'invention est de favoriser les réactions (1) et
(2) qui vont produire un mélange de gaz combustibles, mais pour ce faire, il faut au préalable ou simultanément générer les éléments nécessaires à ces deux réactions, à savoir : le carbone très réactif, les réactants (CO2 et H2O) ainsi qu'une quantité importante d'énergie produite par oxydation d'une fraction de carbone compris dans la biomasse à gazéifier. Ces trois composantes (énergie, CO2, H2O) du procédé de gazéification qui, globalement correspond à une combustion incomplète, sont produites par :
• les réactions de pyrolyse qui permettent la production très rapidement de composés hydrocarbonés gazeux, dès réchauffement du combustible dans le réacteur, même en l'absence d'oxygène,
• les réactions d'oxydation, homogène (phase gaz) et hétérogène (phase solide) plus ou moins complètes et qui interviennent en présence d'oxygène comme c'est classiquement le cas en combustion. La figure 4 est une représentation schématique d'un système 20 de traitement de biomasse massique, pulvérulente et/ou liquide. Le système 20 comprend un module 21/22 de séchage de la biomasse massique par un flux gazeux de séchage GS. Un module 25 de transformation de la biomasse liquide BL en biomasse pulvérulente BP. La biomasse massique séchée, ou en cours de séchage, est amenée par des moyens d'alimentation 22 dans le réacteur 23 où elle est pyrolysée et gazéifiée. Ce réacteur sera détaillé plus bas.
Le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC est ensuite épuré par des moyens d'épuration 24 pour éliminer les résidus présents dans ce gaz. Après épuration, le flux gazeux de pyrolyse chargé est injecté dans le ciel du réacteur 23 pour y être oxydé de manière ménagée en présence d'un comburant C qui peut notamment être de l'air, et générer les flux gazeux de pyrolyse et de gazéification de la biomasse B. La biomasse pulvérulente, contenue dans un réservoir 26, est entraînée par effet venturi créé par le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC circulant dans le circuit d'amené. Ainsi, la biomasse pulvérulente, entraîné par le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC est injectée en même temps que le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC dans le ciel du réacteur 23, où a lieu la gazéification de la biomasse pulvérulente. La biomasse massique présente sur le lit fixe horizontal peut ainsi réagir avec la biomasse pulvérulente pyrolysée et permettre ainsi d'épurer les composants gazeux qui apparaissent lors de la pyrolyse et la gazéification de la biomasse pulvérulente. Ainsi le réacteur permet de réaliser la gazéification combinée de la biomasse massique présente dans le réacteur et de la biomasse pulvérulente entraînée par le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC.
La biomasse liquide BL est d'abord transformée en biomasse pulvérulente BP dans le module 25 par dispersion de la biomasse liquide BL sous forme de fines gouttelettes traitées par un flux gazeux chaud permettant l'évaporation rapide du liquide.
Le flux gazeux de gazéification chargé GGC extrait du module de gazéification est épuré par des moyens d'épuration 27 pour éliminer les résidus, puis entre dans un échangeur thermique 28 pour échanger au moins une partie de son énergie thermique avec un flux gazeux de séchage GS, servant au séchage de la biomasse massique dans le module de séchage 21/22 et ainsi qu'à la transformation de biomasse liquide BL en biomasse pulvérulente BP dans le module 25. Le flux gazeux de séchage GS peut par exemple être de l'air ou tout autre flux gazeux généralement utilisé pour le séchage de la biomasse. Le flux gazeux de gazéification chargé GGC ayant échangé une partie de son énergie thermique avec le flux gazeux de séchage GS entre ensuite dans un module de séparation 29 réalisant la séparation des gaz de synthèse GSl, GS2, GS3 présents dans le flux gazeux de gazéification chargé. Les gaz de synthèse GSl, GS2, GS3 sont par exemple respectivement de l'hydrogène du CO, et du CO2.
Les moyens d'épuration 24 et 27 sont des moyens d'épuration de type cyclone, manches ou autres.
Pour amorcer la pyrolyse de la biomasse, il est nécessaire d'apporter de l'énergie sous forme de gaz combustible G. Le ciel du réacteur 23 doit comporter une canalisation connectée à une source extérieure de gaz. Le gaz combustible G sera brûlé dans le ciel du réacteur et l'air contenu dans le réacteur s'échauffera progressivement et passera transversalement à travers la biomasse à traiter grâce aux ouvertures d'extraction situées dans la partie basse des modules 231 et 232. Au fur et à mesure, la réaction de pyrolyse se développera, entretenue par la combustion du gaz apporté, jusqu'à ce que la biomasse ait atteint une température suffisante pour que la pyrolyse s'auto entretienne. Il est alors possible de fermer la canalisation apportant le gaz extérieur G et entretenir la pyrolyse et la gazéification uniquement par l'énergie produite par l'oxydation des gaz de pyrolyse.
La zone d'oxydation doit donc comprendre au moins un brûleur pour brûler le gaz d'amorçage de la pyrolyse avec apport de comburant (notamment air ou oxygène ou air enrichi d'oxygène) et un deuxième brûleur pour brûler les gaz de pyrolyse, à moins d'utiliser un seul brûleur capable de brûler le gaz d'apport et les gaz de pyrolyse présents dans le flux gazeux de pyrolyse chargé, en fermant la canalisation d'apport de gaz quand l'apport de gaz de pyrolyse est suffisant pour entretenir la réaction et en l'ouvrant de manière automatique au cas où la flamme de combustion des gaz de pyrolyse s'éteignait pour quelque raisons, ou en prévoyant une veilleuse à cet effet alimentée par un gaz d'apport.
Pour éviter un refroidissement du circuit de gaz de pyrolyse, il est possible de faire passer le comburant dans le ciel du réacteur pour le réchauffer, juste avant d'être injecté dans le brûleur.
La figure 5 présente un premier mode de réalisation d'un réacteur 23 mis en œuvre dans le système selon l'invention.
Dans le mode de réalisation représenté en figure 5, le réacteur 23 comprend deux modules 231 et 232, selon l'invention, qui sont agencés l'un derrière l'autre. Les deux modules 231 et 232 communiquent entre eux de manière que la biomasse B dans le réacteur passe du module 231 au module 232. Il n'y a pas de paroi entre les modules 231 et 232.
Le module 231 est le module de pyrolyse et réalise la pyrolyse de la biomasse introduite dans le réacteur par une ouverture d'amission 233. Cette ouverture d'admission 233 est aussi l'ouverture d'admission de la biomasse B dans le module de pyrolyse 231. Le module de pyrolyse 231 présente plusieurs zones de traitement, chacune des zones de traitement comprenant une ouverture d'extraction des gaz de pyrolyse (ou du flux gazeux de pyrolyse chargé). La taille de ces ouvertures d'extraction est proportionnelle à l'épaisseur de biomasse présente dans les zones de traitement correspondantes. Le module de pyrolyse 231 comprend un aspirateur commun à toutes les ouvertures d'extraction et permettant d'extraire le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC. Le module 232 est le module de gazéification et réalise la gazéification de la biomasse provenant du module de pyrolyse 231. Les résidus de gazéification sont évacués hors du module de gazéification par une ouverture d'évacuation 235. Ces résidus sont accueillis dans un réceptacle 236 qui évacue les résidus hors du réacteur. Le module de gazéification 232 présente plusieurs zones de traitement, chacune des zones de traitement comprenant une ouverture d'extraction des gaz de gazéification (ou du flux gazeux de gazéification chargé). La taille de ces ouvertures d'extraction est proportionnelle à l'épaisseur de biomasse présente dans les zones de traitement correspondantes. Le module de gazéification 232 comprend un aspirateur commun à toutes les ouvertures d'extraction et permettant d'extraire le flux gazeux de gazéification chargé GGC.
Dans le premier mode de réalisation les moyens 234 permettant de faire avancer la biomasse sont communs aux modules de pyrolyse 231 et aux modules de gazéification 232, ainsi que le lit fixe L.
La figure 6 est une représentation d'un deuxième mode de réalisation du réacteur 23 mis en œuvre dans le système selon l'invention. Dans le mode de réalisation représenté en figure 6, le réacteur 23 comprend deux modules 231 et 232, selon l'invention, qui sont agencés l'un au dessus de l'autre. Les deux modules 231 et 232 communiquent entre eux par deux ouvertures : l'ouverture de passage 237 permettant le passage de la biomasse pyrolysée de module de pyrolyse 231 au module de gazéification 232, et l'ouverture de passage 238 permettant au flux gazeux de traitement de passer du module de pyrolyse 231 dans le module de gazéification 232. Dans le mode de réalisation représenté en figure 6, la biomasse est pyrolysée dans le module 231 sur le lit Ll. Elle est poussée le long du lit Ll par des moyens 2341. En bout du lit Ll, la biomasse passe par gravitation dans le module 232 de gazéification au travers de l'ouverture de passage 237. La biomasse est ensuite gazéifiée dans le module 232 de gazéification. Le flux gazeux de traitement injecté dans le ciel du module 231 de pyrolyse passe dans le module 232 de gazéification par au moins une ouverture de passage 238. La biomasse est poussée tout le long du lit L2, dans le module 232 de gazéification, par des moyens 2342. Les résidus tombent par gravité dans le réceptacle 236 et sont évacués. La figure 7 donne une représentation schématique selon une vue de dessus du système représenté en figure 6, en coupe selon l'axe AA. Tel qu'on le constate, les ouvertures de passage 238 reliant les ciels du module de pyrolyse et le ciel du module de gazéification n'empêchent nullement le passage longitudinal de la biomasse sur le lit fixe Ll du module de pyrolyse
231 avant de tomber par gravité sur le lit fixe L2 du module de gazéification
232 au travers de l'ouverture de passage 237.
Quel que soit le mode de réalisation, les moyens pour faire avancer la biomasse le long du ou des lits fixe(s) sont des moyens du type poussoir animé d'un mouvement de va et vient. D'autres systèmes permettant l'avancement de la biomasse peuvent être substitués au poussoir animé d'un va et vient, par exemple, à titre non limitatif, des racleurs ou encore des bandes transporteuses, de plus, l'avancement des résidus, tels que les cendres, récupérées dans le réceptacle 236 est réalisé par une vis sans fin ou par tout dispositif équivalent.
Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire que le réacteur fonctionne constamment en dépression. Pour ce faire, la vitesse relative d'aspiration de l'aspirateur de chacun des modules de pyrolyse et de gazéification est réglée en fonction du volume de gaz correspondant au volume de gaz injecté (comburant) + le volume de gaz généré par la biomasse.
Des dispositifs, non représentés, de mesure de la température et de pilotage en fonction des températures relevées seront disposés en différentes zones de l'ensemble réacteur et alimentation de la biomasse. A titre d'exemple non limitatif des dispositifs de mesure des températures seront placés dans le ciel du réacteur, tout au long de la grille Ll de pyrolyse et de la grille L2 de gazéification. Ces mesures peuvent servir à piloter notamment et de manière non limitative, la vitesse de circulation du flux gazeux de traitement, la quantité de comburant injecté par unité de temps, la vitesse de déplacement de la biomasse dans le module de pyrolyse, la vitesse d'injection de la biomasse pulvérulente, la vitesse d'avancement de la biomasse dans le module de gazéification, l'objectif étant de piloter ces différents paramètres en vue d'obtenir la puissance maximale du réacteur. En dehors du réacteur, des dispositifs de mesure de la température de la biomasse dans le dispositif d'alimentation et de séchage permettront de régler la vitesse de circulation de l'air véhiculant l'énergie thermique récupérée de manière notamment à maintenir la température de la biomasse au dessous de 2500C pour éviter d'enclencher une opération de pyrolyse.
Des dispositifs de prélèvement et d'analyse chimique seront, à titre d'exemples non limitatifs, situés au niveau du circuit du flux gazeux de pyrolyse chargé et du flux gazeux de gazéification comprenant les gaz de synthèse et serviront à piloter les autres paramètres décrits.
Le mode de réalisation représenté en figure 6 est le mode préféré. Dans ce mode préféré sont représentés les trois étage de circulation de la biomasse correspondant respectivement à la pyrolyse, à la gazéification et à l'extraction des cendres, chaque étage occupant toute la longueur du réacteur et changeant de direction à chaque étage ; c'est la variante qui devrait conduire à la puissance maximale à encombrement et coût relativement constant.
Le système selon l'invention permet un gain significatif de puissance, à coût et encombrement relativement constant. Le recyclage des gaz de pyrolyse dans un ciel unique élimine l'inconvénient majeur du système décrit dans le document FR 2 487 847. Enfin, l'utilisation du circuit de réinjection des gaz de pyrolyse dans le ciel du réacteur pour permettre une pyrolyse rapide de la biomasse pulvérulente en même temps que la pyrolyse de la biomasse massique circulant horizontalement, permet d'augmenter encore la puissance du réacteur à coût et encombrement pratiquement constant.
Il en va de même de la possibilité de transformer de la biomasse liquide en biomasse pulvérulente qui est alors transformée en même temps que la biomasse massique.
La figure 8 est une représentation du premier principe d'entraînement de la biomasse pulvérulente BP par le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC. Le réservoir 26 de biomasse pulvérulente BP présente une ouverture d'alimentation 261 en biomasse pulvérulente BP et une ouverture 262 connectée au circuit de flux gazeux de pyrolyse chargé GPC dans lequel le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC circule à vitesse importante. Ce circuit présente un étranglement 264 se trouvant en amont et à proximité de l'ouverture 262 du réservoir 26 de biomasse pulvérulente BP. Le passage du flux gazeux de pyrolyse chargé GPC par cet étranglement crée un effet venturi entraînant la biomasse pulvérulente BP dans le circuit de flux gazeux de pyrolyse chargé et permettant ainsi d'extraire la biomasse pulvérulente BP du réservoir 26. Dans le cas où l'effet venturi n'est pas suffisant pour entraîner la biomasse pulvérulente, le réservoir 26 peut comprendre des moyens mécaniques 263 permettant de mettre en suspension et de maintenir en suspension la biomasse pulvérulente BP dans le réservoir 26. Dans ce mode de réalisation la pyrolyse et la gazéification de la biomasse pulvérulente se fait dans le ciel du réacteur 23.
La figure 9 est un deuxième principe d'entraînement de la biomasse pulvérulente BP par le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC. Le réservoir 26 de biomasse pulvérulente BP présente une ouverture d'alimentation 261 en biomasse pulvérulente BP et une ouverture 262 connectée au circuit de flux gazeux de pyrolyse chargé GPC dans lequel le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC circule à vitesse importante. Ce circuit présente un étranglement 264 se trouvant en amont et à proximité de l'ouverture 262 du réservoir 26 de biomasse pulvérulente BP. Le passage du flux gazeux de pyrolyse chargé GPC par cet étranglement créé un effet venturi entraînant la biomasse pulvérulente BP dans le circuit de flux gazeux de pyrolyse chargé. Le réservoir 26 présente en outre une ouverture 265. Dans ce mode de réalisation, cette ouverture 265 est reliée au circuit de flux gazeux de pyrolyse chargé GPC et une partie du flux gazeux de pyrolyse chargé GPC passe par cette ouverture et entre dans le réservoir 26. La vitesse du flux gazeux de pyrolyse chargé GPC contribue à la création et au maintien d'un lit fluidisé de biomasse pulvérulente. De plus, le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC entrant dans le réservoir étant chaud, la pyrolyse et la gazéification de la biomasse se fait au moins en partie dans le réservoir 26. Les résidus de la pyrolyse/gazéification de la biomasse pulvérulente BP sont entraînés et injectés dans le ciel du réacteur 23 par le flux gazeux de pyrolyse chargé GPC.
La figure 10 est une représentation schématique du module de séchage de la biomasse liquide BL pour obtenir de la biomasse pulvérulente BP. Dans cet exemple, la biomasse liquide BL se trouve dans un réservoir 250. La biomasse liquide BL se trouvant dans le bas de ce réservoir est pulvérisée dans le haut du réservoir 250, par toute méthode d'atomisation d'un liquide, sous formes de fines gouttelettes par une ouverture 251. Le réservoir 250 comprend en outre une ouverture 252 d'arrivée d'un flux gazeux chaud de séchage GS qui est projeté vers les fines gouttelettes de biomasse liquide BL. La rencontre des fines gouttelettes de biomasse liquide BL et du flux gazeux de séchage GS réalise l'évaporation quasi instantanée du liquide, en libérant une biomasse pulvérulente BP et de la vapeur d'eau H2O. Le mélange biomasse pulvérulente BP et vapeur d'eau H2O est alors envoyé par une ouverture 254 vers un cyclone 255 réalisant la séparation de la biomasse pulvérulente BP et de la vapeur d'eau H2O. La transformation de la biomasse liquide en biomasse pulvérulente peut comprendre plusieurs modules similaires au réservoir 250, en parallèle et le parachèvement du séchage de la biomasse pulvérulente peut être obtenu par plusieurs modules similaires au cyclone 255 opérant en série permettant tout à la fois de sécher la biomasse pulvérulente et de la séparer de la vapeur d'eau ainsi générée.
L'augmentation significative de puissance du système selon l'invention, par rapport à l'état de l'art antérieur, à coût et encombrement relativement constant, est obtenue par la mise en œuvre :
• d'un module de séchage extérieure au réacteur par récupération de calories disponibles dans les gaz de gazéification,
• des moyens d'extraction des gaz de pyrolyse et de gazéification chargé compensant la variation de perte de charge en fonction de la hauteur de la biomasse,
• des moyens d'injection de biomasse pulvérulente dans le ciel du réacteur en utilisant le circuit de circulation du flux gazeux de pyrolyse chargé, • d'un traitement de la biomasse massique à étages, la biomasse changeant de sens
• d'un traitement de séchage de la biomasse liquide permettant de la transformer en biomasse pulvérulente par récupération de calories disponibles dans les gaz de gazéification Les avantages du système selon l'invention ainsi que du procédé mis en œuvre dans le système selon l'invention, apparaissent aussi en analysant les différents paramètres sur lesquels il est possible d'agir pour optimiser les réactions et augmenter la puissance du gazogène, à encombrement et coût sensiblement constant par rapport aux réacteurs conformes à l'état de l'art antérieur.
Faisant référence aux différentes modalités préférées de l'invention, on constate que : a) En récupérant les calories du gaz de gazéification et en s'en servant pour sécher la biomasse en dehors du réacteur unique de pyrolyse/gazéification,
• on augmente d'autant la zone de pyrolyse, par la réduction de la zone de séchage au sein du réacteur, ce qui permet d'accélérer la vitesse de passage de la biomasse, • on réduit la quantité de vapeur d'eau qui est toujours en excès dans la biomasse, dont l'évaporation est endothermique, ce qui évite de devoir compenser la perte d'énergie par une plus grande consommation du carbone contenu dans la biomasse et permet d'augmenter le pci du gaz de synthèse, • en réduisant la quantité de vapeur d'eau dans le gaz de gazéification chargé, on augmente automatiquement le pci par volume de gaz, la vapeur d'eau n'étant pas combustible. b) En mettant en œuvre un dispositif compensateur de la variation de perte de charge en fonction de la hauteur de biomasse on augmente la zone réactive de la biomasse, c) En remplaçant la grille (le lit fixe) unique de séchage, pyrolyse et gazéification dont la longueur totale correspond à la longueur du réacteur par deux grilles (lits) superposées, tel que représenté en figure 6, couvrant chacune la longueur totale du réacteur il est pratiquement possible de doubler la vitesse d'alimentation de la biomasse, avec un excédent de coût faible par rapport à une grille unique. d) En disposant d'une grille séparée pour la gazéification, sous la grille de pyrolyse, cela permet de réduire la largeur de la grille de gazéification pour augmenter la hauteur du la matière réductrice et augmenter les réactions
C + H2O ++ CO+H2
C + CO2 +> 2 CO e) En disposant de deux systèmes d'avancement de la biomasse dans le module de pyrolyse d'une part et dans le module de gazéification d'autre part, il est possible d'ajuster les vitesses relatives pour optimiser les réactions f) En disposant d'un emplacement unique dans le ciel du réacteur pour l'apport du comburant, pour l'injection des gaz de pyrolyse et pour l'injection de la biomasse pulvérulente, entraînée dans le réacteur par un effet venturi, on délimite la zone d'oxydation dans une zone unique, qui permet d'obtenir une température moyenne optimale d'oxydation ménagée et d'obtenir simultanément l'apport d'énergie complémentaire par la biomasse pulvérulente, permettant une accélération de la vitesse de circulation du gaz de pyrolyse et en conséquence une accélération de la pyrolyse. g) En ajoutant un dispositif permettant de traiter la biomasse pulvérulente on augmente d'autant la puissance produite par la seule biomasse massique sans modification significatif de l'encombrement et du coût du réacteur, h) En traitant dans un même réacteur une biomasse pulvérulente et une biomasse massique cela permet d'utiliser la biomasse massique pour épurer les gaz de pyrolyse de la biomasse pulvérulente, que l'on retrouverait après gazéification de la biomasse pulvérulente si l'on opérait avec un réacteur dédié à la seule biomasse pulvérulente fonctionnant alors en lit fluidisé. i) En transformant la biomasse liquide, en biomasse pulvérulente, et en la gazéifiant en même temps que la biomasse massique par récupération des calories du gaz de gazéification disponible pour évaporer le liquide préalablement atomisé en fines gouttelettes, on augmente encore la puissance du réacteur et on élargit la nature des biomasses gazéifiables. En outre, le système objet de l'invention permet de moduler la puissance du réacteur en réduisant la puissance par rapport à la puissance maximale possible pour un encombrement et un coût donné, ce qui pourrait être utile si le besoin en énergie diminuait périodiquement par exemple en week-end.
Les éléments disponibles pour réduire la puissance de l'installation sont de manière non limitative :
- l'arrêt de la gazéification de la biomasse pulvérulente, pour ne conserver que la biomasse massique, - la réduction du moyen d'aspiration avec simultanément la réduction de l'alimentation en biomasse et la réduction de l'apport de comburant.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation que nous venons de décrire.

Claims

REVENDICATIONS
1) Module de traitement de biomasse (B) par un flux gazeux de traitement sur un lit fixe (L) sensiblement horizontal, ledit module présentant une ouverture d'admission (11) de la biomasse (B) à traiter sur ledit lit fixe (L) et une ouverture d'évacuation (12) de la biomasse (B) après traitement, caractérisé en ce que ledit module de traitement comprend plusieurs zones (14), dites de traitement, ledit module comprenant en outre :
-au moins un moyen d'injection (13) d'un flux gazeux de traitement dans ledit module, ledit moyen d'injection (13) étant commun audites zones de traitement (14), et -des moyens d'extraction (15, 16, 17) du flux gazeux de traitement chargé obtenu après traitement, lesdits moyens d'extraction réalisant, au niveau de chacune desdites zones de traitement (14), une régulation de l'extraction dudit flux chargé en fonction de l'épaisseur de biomasse au niveau de ladite zone, de sorte que ladite extraction est réalisée avec une perte de charge sensiblement constante pour l'ensemble desdites zones de traitement (14).
2) Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'extraction (15, 16, 17) du flux gazeux de traitement chargé d'une zone de traitement (14) comprennent : -au moins une ouverture d'extraction (15) aménagée sous le lit fixe horizontal (L), et
-au moins un moyen d'aspiration (17) dudit flux gazeux de traitement chargé au travers de ladite ouverture (15).
3) Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'aspiration (17) du flux gazeux de traitement chargé sont communs aux zones de traitement (14) et la taille de chacune des ouvertures d'extraction (15) de chacune des zones de traitement (14) est sensiblement proportionnelle à l'épaisseur de la biomasse (B) présente au niveau de ladite zone de traitement (14) de manière que la perte de charge d'extraction est sensiblement constante pour toutes les zones de traitement (14).
4) Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'aspiration (17) du flux gazeux de traitement chargé sont communs à toutes les zones de traitement (14) et la taille de chacune des ouvertures d'extraction (15) de chacune des zones de traitement (14) étant sensiblement constante, et au moins un organe de régulation (16) d'aspiration étant disposé au niveau de chacune desdites ouvertures d'extraction (15) de manière que la perte de charge est sensiblement constante au niveau de toutes les zones de traitement (14).
5) Module selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe de régulation (16) est une vanne disposée au niveau de l'ouverture d'extraction (15) et agencée pour réguler l'aspiration de flux gazeux de traitement chargé.
6) Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que la taille des ouvertures d'extraction (15) est sensiblement constante, chacune des ouvertures d'extraction (15) de chacune des zones de traitement (14) comprenant un moyen d'aspiration (16) ajusté de manière que la perte de charge d'extraction est sensiblement constante au niveau de toutes les zones de traitement (14).
7) Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le lit fixe (L) sensiblement horizontal est perméable au flux gazeux de traitement chargé.
8) Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (19) prévu pour faire avancer la biomasse (B) sur ledit lit fixe horizontal (L) de l'ouverture d'admission (11) vers l'ouverture d'évacuation (12). 9) Système de traitement de biomasse sur lit fixe sensiblement horizontal, ledit système comprenant :
- une ouverture d'admission (233) de ladite biomasse (B) à traiter sur ledit lit fixe horizontal (L, Ll),
- un réacteur (23) unique de traitement de la biomasse, comprenant un premier et un deuxième modules (231, 232) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, communicant entre eux :
• ledit premier module (231), dit de pyrolyse, réalisant une pyrolyse de ladite biomasse (B) admise par ladite ouverture d'admission (233) par un flux gazeux de traitement et comprenant des premiers moyens d'extraction du flux gazeux de pyrolyse chargé,
• ledit deuxième module (232), dit de gazéification, réalisant une gazéification de ladite biomasse (B) provenant dudit premier module (231) par ledit flux gazeux de traitement et comprenant des deuxièmes moyens d'extraction du flux gazeux de gazéification chargé,
- une ouverture d'évacuation (235) de résidus de la gazéification de la biomasse.
10)Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'amené du flux gazeux de pyrolyse chargé (GPC) dans le ciel du réacteur (23), où ledit flux gazeux de pyrolyse chargé (GPC) est oxydé en présence de comburant (C) pour obtenir le flux gazeux de traitement de la biomasse.
ll)Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit d'amené du flux gazeux de pyrolyse chargé (GPC) dans le ciel du réacteur (23) comprend un dispositif d'entraînement (264), par effet venturi, de biomasse pulvérulente (BP) dans le ciel du réacteur (23).
12)Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant de maintenir la biomasse pulvérulente (BP) sous la forme d'un lit fluidisé. 13)Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'injection d'un comburant dans le ciel du réacteur (23).
14)Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur thermique (28) prévu pour récupérer, au moins en partie, l'énergie thermique du flux gazeux de gazéification chargé (GGC).
15)Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend un module de séchage (21,22) de la biomasse (B), disposé en amont du réacteur (23).
16)Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de séparation (29) d'au moins un composant gazeux dans le flux gazeux de gazéification chargé (GGC).
17)Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend un module de séchage (25) de biomasse liquide (BL), ledit module de séchage (25) de la biomasse liquide (BL) comprend des moyens de d'atomisation, dans ledit module, de la biomasse liquide (BL) sous forme de fines gouttelettes traitées par un flux gazeux de séchage (GS), ledit séchage produisant de la biomasse pulvérulente (BP) pulvérisée dans le ciel du réacteur (23) pour y être pyrolysée et gazéifiée.
18)Système selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, caractérisé en ce que le module de pyrolyse (231) et le module de gazéification (232) sont superposés, ledit module de pyrolyse (231) étant disposé au dessus dudit module de gazéification (232), dans ledit module de gazéification (232) la biomasse (B) ayant un sens de circulation opposé au sens de circulation de ladite biomasse (B) dans le module de pyrolyse, ledit système comprenant en outre au moins un ouverture de passage (238) permettant au flux gazeux de traitement de passer du module de pyrolyse (231) dans le module de gazéification (232)
19) Procédé de gazéification de biomasse sur lit fixe sensiblement horizontal, par un flux gazeux de traitement, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- pyrolyse de la biomasse dans un module, dit de pyrolyse, par ledit flux gazeux de traitement ; - gazéification de la biomasse dans un module, dit de gazéification, par ledit flux gazeux de traitement, lesdits modules de pyrolyse et de gazéification étant en communication entre eux et disposés dans un réacteur unique, chacun desdits modules comprenant plusieurs zones (14), dites de traitement, ledit procédé comprenant en outre
- une injection dudit flux gazeux de traitement dans le ciel desdits modules, ladite injection étant commune audites zones de traitement de chacun desdits modules,
- au niveau de chacune desdites zones de traitement, une extraction du flux gazeux de pyrolyse chargé en fonction de l'épaisseur de biomasse présente au niveau de ladite zone, de sorte que ladite extraction est réalisée avec une perte de charge sensiblement constante pour l'ensemble desdites zones de traitement (14), et
- une extraction du flux gazeux de gazéification chargé, ladite extraction étant réalisée avec une perte de charge sensiblement constante pour chacune desdites zones de traitement dudit module de gazéification.
20) Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une introduction de la biomasse sur le lit fixe horizontale et une extraction des résidus de la gazéification.
21)Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 ou 20, caractérisé en ce qu'il comprend une injection du flux gazeux de pyrolyse chargé (GPC) dans le ciel du réacteur (23), où ledit flux gazeux de pyrolyse chargé (GPC) est oxydé en présence de comburant (C) pour obtenir le flux gazeux de traitement.
22)Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une injection de biomasse pulvérulente dans le ciel du réacteur, ladite biomasse pulvérulente étant entraînée par le flux gazeux de pyrolyse chargé (GPC), par effet venturi.
23) Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comprend une gazéification de la biomasse pulvérulente dans le ciel du réacteur (23).
24) Procédé selon l'une quelconque des revendication 22 ou 23, caractérisé en ce la biomasse pulvérulente (BP) se trouve sous la forme d'un lit fluidisé.
25) Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 24, caractérisé en ce qu'il comprend en outre injection d'un comburant dans le ciel du réacteur (23).
26) Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 25, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échange thermique pour récupérer, au moins en partie, l'énergie thermique du flux gazeux de gazéification chargé (GGC).
27) Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de séchage de la biomasse (B) avant l'étape de pyrolyse.
28) Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de séchage d'une biomasse liquide (BL) dans un module de séchage (25), ladite biomasse liquide (BL) étant atomisés dans ledit module de séchage (25) sous forme de fines gouttelettes traitées par un flux gazeux de séchage (GS), ledit séchage produisant de la biomasse pulvérulente (BP) pulvérisée dans le ciel du réacteur pour y être pyrolysée et gazéifiée.
29) Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 28, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de séparation d'au moins un composant gazeux (GSl, GS2, GS3) présent dans le flux gazeux de gazéification chargé (GGC).
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