EP2753677B1 - Gazeifieur de combustible solide carbone - Google Patents

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EP2753677B1
EP2753677B1 EP12754009.4A EP12754009A EP2753677B1 EP 2753677 B1 EP2753677 B1 EP 2753677B1 EP 12754009 A EP12754009 A EP 12754009A EP 2753677 B1 EP2753677 B1 EP 2753677B1
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EP
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fuel
principal
gasifier
tank
zone
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Frédéric BOURGOIS
Alexandre BACQ
Johan Klein
Michaël HAUBE
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Xylowatt S A
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Xylowatt S A
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Publication date
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    • C10J2300/164—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with conversion of synthesis gas
    • C10J2300/1643—Conversion of synthesis gas to energy
    • C10J2300/165—Conversion of synthesis gas to energy integrated with a gas turbine or gas motor

Definitions

  • the invention relates to a gasifier for the gasification of a carbonaceous solid fuel, such as for example solid biomass.
  • the invention relates to such a gasifier, comprising at least a first vertical tank provided with introduction means for introducing the fuel from above into said first tank and having a pyrolysis zone to pyrolyze the fuel, a combustion zone for burning pyrolysis gases from the pyrolysis zone, a reduction zone for gasifying carbonized fuel from the pyrolysis zone, and an outlet for collecting gases produced in the reduction zone, said first vessel comprising moreover, a horizontal plate mounted in a fixed manner between the introduction means and the pyrolysis zone for receiving and retaining the fuel introduced into the tank.
  • the invention also relates to a gas production and combustion unit comprising such a gasifier for producing said gas.
  • Such gasifiers are known and make it possible to produce a combustible gas from a carbonaceous solid fuel, in particular from wood waste, such as those originating, for example, from sawmills or from forestry operations, or from - agricultural products (straw, etc ...), or from recycled wood.
  • This combustible gas contains in particular carbon monoxide and hydrogen and can then be used for various purposes such as, for example, for supplying a gas turbine or an internal combustion engine or a boiler or an oven.
  • the patent application WO 2007/081296 discloses a gasifier having a rotary valve located in the upper part of the reactor. This device has the advantage of being able to properly dose the fuel supply, but it however has the disadvantage of not being sufficiently gas-tight and require an additional sealing mechanism upstream, which increases the cost. In addition, the valve must be able to withstand the high temperatures that prevail in the first tank when the gasifier is in operation, which requires particularly expensive valves.
  • the document NL8200417A discloses a similar gasifier and having the same disadvantages as WO 2007/081296 from a thermal point of view.
  • EP0273656A1 discloses a gasifier similar to that of WO 2001/051591 . It comprises a pyrolysis tank including a plurality of retractable trays that allow the material to be lowered in a stepped manner into said pyrolysis vessel. The pyrolysis gases are then burned in a separate combustion chamber.
  • This device has the same disadvantages as WO 2001/051591 from a thermal point of view if one can imagine using it as it is intended to use a gasifier according to the invention.
  • retractable trays are expensive and complex device because at least a portion is outside the pyrolysis tank, which also poses sealing problems.
  • the patent application WO 2010/109501 discloses a gasifier in the form of a tank, in the upper part of which the fuel is introduced laterally. The fuel is then retained in a drying zone of the tank by means of a horizontal wall pierced with an orifice at its center. Through this orifice is placed vertically an endless screw which transfers the fuel from the drying zone to a pyrolysis zone located just below the horizontal wall.
  • This auger opens into the pyrolysis zone and must be able to withstand the high temperatures that prevail when the gasifier is in operation, which requires screws particularly resistant and expensive. The auger is also prone to fouling, which requires maintenance, and / or blocking by pieces of fuel.
  • An object of the invention is to at least partially solve the problems of gasifiers mentioned above.
  • the gasifier according to the invention is characterized in that the first vessel comprises a mobile pusher mounted between the introduction means and the horizontal plate, said mobile pusher being designed to push the fuel retained on the horizontal tray to the pyrolysis zone and being positioned or positionable above the horizontal tray.
  • the horizontal plate will form a heat shield that will protect both the fuel introduction means and the pusher against the high temperatures that prevail in the first tank (against radiation and flames in particular). This makes it possible to use less expensive material transfer mechanisms (introduction means, pusher) and / or to increase their durability and / or reliability.
  • Such a mobile pusher also takes up less height and is simpler and more reliable than the vertical worm (12) proposed in the patent.
  • WO-2010/109501 Such a mobile pusher also takes up less height and is simpler and more reliable than the vertical worm (12) proposed in the patent.
  • the movable pusher comprises at least one leg extending horizontally above the plate and rotatably mounted about a first vertical axis.
  • a rotary pusher makes it possible to better distribute the fuel on the fuel bed in the pyrolysis zone, which improves the quality of the pyrolysis reaction. In particular, this makes it possible to reduce the tar content of the product gas.
  • the US Patent 5,755,837 proposes for example to provide the upper part of the first tank with an inclined weir. This device will nonetheless cause a greater accumulation of material at the point of their drop points on the fuel bed. In particular, the fuel level will be greater on the peripheral part of the first tank than in its central part.
  • the patent GB 696682 proposes for its part to provide the upper part of the first tank with a mechanism with two rotating plates pierced with orifices. Here too, the fuel will settle preferentially to the right of the orifices. Moreover, this mechanism is likely to become fouled and / or blocked by pieces of fuel.
  • the gasifier according to the invention preferably comprises leveling means capable of leveling at least partially an upper surface of the solid fuel bed in the pyrolysis zone.
  • leveling means capable of leveling at least partially an upper surface of the solid fuel bed in the pyrolysis zone.
  • the leveling means comprise at least one arm extending horizontally at the upper surface of the solid fuel bed in the pyrolysis zone, said at least one arm being rotatably mounted around a second vertical axis C.
  • the embodiments described below relate to a co-current gasifier, fixed bed, and formed by a single vessel comprising both the pyrolysis zone, the combustion zone and the reduction zone. It will be obvious that the invention is not limited to this type of gasifier but relates to all the gasifiers having the characteristics of the preamble of the first claim, such as, for example, countercurrent gasifiers, or gasifiers comprising several tanks put next to each other, the first tank being the one where the pyrolysis reactions of the fuel take place.
  • the entry lock can take various forms, such as for example a rotary valve and / or a lock with two valves and / or any other means of introduction known to those skilled in the art.
  • the biomass (2) for example wood chips
  • the biomass (2) is introduced into the tank (4) from above through the inlet lock (5) and then arrives - via the intermediate device (50, 51) described in more detail hereinafter - in the pyrolysis zone (10) where it decomposes, under the effect of heat, into volatile matter and into a solid residue rich in carbon generally called “char” or "coke".
  • This reaction typically occurs in a temperature range of 300 ° C to 700 ° C.
  • the tank generally comprises first means of admission of a pyrolysis agent (11) - for example one or more nozzle (s) opening laterally into the tank at the level of the pyrolysis zone - and which allow to introduce a gas which will bring directly or indirectly the energy necessary for the decomposition of the biomass in volatile materials and in "char".
  • Said pyrolysis agent may for example be an oxygen-containing reactive gas which, by burning a fraction of the biomass or products of the decomposition of the biomass, will release the energy necessary for pyrolysis. It can also be an inert gas (such as carbon dioxide, nitrogen, water vapor) which, preheated, will provide the energy necessary for pyrolysis. It can also be a combination of both types of gas.
  • the "chariot” is then transferred to the reduction zone (30) by well known means, for example those described in the patent application. EP11171156 .
  • Volatiles (also known as “pyrolysis gases”) entering the combustion zone (20) are partially or totally burned.
  • the tank preferably comprises second means for admitting a gasifying agent (21).
  • gasifying agent is meant a gas capable of reacting with the carbon and / or hydrogen contained in the solid fuel.
  • Said gasifying agent may therefore for example be ambient air, a gas with a higher concentration of oxygen, water vapor, carbon dioxide or a mixture of these gases.
  • This combustion produces mainly carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O), and of course heat. Typically, temperatures above 1100 ° C are attainable in the combustion zone.
  • the "tank” that has been transferred to the reduction zone will react with the combustion products to form carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
  • CO carbon monoxide
  • H 2 hydrogen
  • this reaction typically occurs in a temperature range. between 300 ° C and 800 ° C. This temperature may nevertheless be higher and reach or even exceed 1300 ° C in the case where a higher carbon fuel is used and / or preheated reagents are used.
  • the gases produced by this reaction will be collected at the outlet (6) of the reactor which is located in the bottom of the tank (4).
  • a fuel gas typically comprising about 15% to 30% CO, 10% to 25% of H 2 , 0.5 to 3% of CH 4 , 5% to 15% of CO 2 and 49 % N 2 when using ambient air as a gasifier.
  • the ashes can be collected in the bottom (40) of the tank.
  • This device comprises firstly a horizontal plate (50) fixedly mounted between the entry lock (5) and the pyrolysis zone (10).
  • Said plate (50) is positioned and sized to receive and at least partially retain the fuel (2) introduced into the tank (4) via the input lock (5).
  • the plate is positioned and dimensioned so that it completely retains the fuel and that the latter can only flow to the pyrolysis zone under an external action, such as under the action of the pusher described herein. -after.
  • the position and the size of the plate will be adapted to the flow properties of the fuel used, in particular its slope angle (eg for wooden copula, the angle of repose is of the order of 60 °).
  • the device further comprises a movable pusher (51) mounted between the entry lock (5) and the horizontal plate (50).
  • Said pusher (51) is positioned above the horizontal plate (50), so that the horizontal plate forms a heat shield protecting the pusher from the heat prevailing below the plate when the gasifier is in operation.
  • it may be for example a horizontal cylinder and at the end of which is mounted a vertical plate acting as a pusher.
  • the fuel retained on the plate will be pushed by the plate and fall by gravity into the pyrolysis zone (10).
  • the fuel dosage can be achieved by controlling the movement of the cylinder.
  • the Fig.2 shows schematically a frontal section of a preferred embodiment of a gasifier according to the invention.
  • the mobile pusher (51) comprises at least one branch (52) extending horizontally above the tray horizontal (10) and rotatably mounted about a first vertical axis (B).
  • This branch may for example be constituted by a vertical plate.
  • One end of the branch is here connected to a shaft of a motor (M) to allow the rotation of the branch.
  • the movable pusher (51, 52) is thus positionable above the horizontal plate (50), which allows the plate to fulfill its role of heat shield when the pusher is actually positioned above the plate.
  • the pusher may temporarily overflow the tray when the motor (M) is rotated, but it is important that the pusher can at one time or another be positioned above the tray.
  • the motor (M) is provided with a speed reducer in order to increase the torque and the precision of the movement transmitted to the first branch.
  • the motor (M) is mounted above the plate so that the plate also forms a heat shield vis-à-vis the engine. More preferably, the motor (M) is mounted outside the tank, in which case its shaft will pass through the upper part of the tank via a seal or a sealed bearing to be subsequently connected to the first branch (not a case). -illustrated).
  • the first axis (B) is offset with respect to the axis (A).
  • the Fig.3 schematically shows a cross-section of the gasifier of the Fig.2 . It shows an example of the shape that can have the horizontal plate (50) and the branch (52) of the pusher and how these two elements can be arranged relative to each other.
  • the gasifier comprises a motor (M) for driving the at least one branch (52) of the pusher in rotation about the first axis (B) and first control means (60) able to control the motor (M) to give a rocking movement to said at least one branch (52) about said first axis (B).
  • a motor whose direction of rotation can be reversed, such as for example a DC motor.
  • the first control means (60) are able to adjust a starting angular position (P1) as well as an amplitude (A1) of the pendulum movement, which makes it possible to regulate even more precisely the transfer of biomass from the plateau towards the pyrolysis zone.
  • P1 starting angular position
  • A1 amplitude of the pendulum movement
  • the Fig.4 schematically shows a frontal section of a more preferred embodiment of a gasifier according to the invention.
  • the first tank (4) further comprises leveling means (70) capable of leveling at least partially an upper surface (80) of the biomass bed in the pyrolysis zone (10).
  • these leveling means comprise for example a horizontal cylinder whose end is provided with a scraper. Said scraper is located at the upper surface (80) of the biomass bed in the pyrolysis zone (10).
  • the scraper has the shape of a rake whose teeth are oriented downwards. Actuation of the jack will thus level said upper surface (80) of the biomass bed.
  • the leveling means (70) comprise at least one leveling arm (71) extending horizontally at the top surface (80) of the solid fuel bed in the pyrolysis zone (10), said at least one leveling arm (71) being mounted rotatable about a second vertical axis (C).
  • the leveling arm may for example be constituted by a vertical plate or a rake whose teeth are oriented downwards.
  • One end of the leveling arm (71) is here connected to a shaft of a motor (M) to allow the rotation of said arm (71).
  • this motor (M) is provided with a speed reducer in order to increase the torque and the precision of the movement transmitted to the arm (71).
  • the operation of the engine will thus level the upper surface (80) of the biomass bed when the gasifier is in operation.
  • the Fig.6 schematically shows a cross-section of the gasifier of the Fig.5 . There is better the leveling arm (71) and its rotary movement.
  • the leveling means comprise six arms mounted radially every 60 degrees around a rotary shaft of axis C.
  • the axis B and the axis C are merged.
  • the at least one leg (52) of the pusher and the at least one arm (71) of the leveling means are mounted on the same rotary shaft (75).
  • An exemplary embodiment is provided to Figs. 7a and 7b .
  • a single motor (M3) drives both the branch (52) of the pusher and the leveling arm (71) via a common rotary shaft (75), which simplifies the assembly and thus makes it less expensive, less bulky and more reliable.
  • the branch (52) of the pusher and the leveling arm (71) are preferably mounted in opposition, that is to say angularly offset by 180 degrees, as can be seen better on the Fig. 7b .
  • the Figs.8a and 8b show respectively a frontal section and a cross section of a preferred embodiment of a gasifier according to the invention.
  • the tray is formed by a fixed plate (50) which extends substantially over the entire cross section of the vessel (4).
  • the plate (50) is furthermore provided with at least one opening (58) through which the pusher (52) can push the fuel (2) retained by the plate so that it falls by gravity into the pyrolysis zone. (10).
  • the opening (58) is offset relative to the intake means (5) so that the fuel can not fall directly into the pyrolysis zone.
  • this gasifier is similar to those described above.
  • the motor (M3) will preferably be deported out of the tank (4) in order to access it more easily and so that it is not subjected to the conditions prevailing inside the tank (temperature, presence of gas, etc ).
  • tray and pusher can be envisaged, as long as the tray is able to retain the fuel from the introduction means (5) and the pusher (52) is able to push and to fall by gravity the fuel retained, to the pyrolysis zone (10).
  • the invention also relates to a gas production and combustion unit comprising a gasifier according to any one of the preceding claims for producing said gas. It can act for example an assembly comprising a gasifier as described above and an internal combustion engine, the outlet (6) of the gasifier being connected to a fuel system of the combustion engine internal.
  • a carbonaceous solid fuel gasifier (2) having at least a first vertical vessel (4) and introduction means (5) for introducing the fuel (2) into a upper portion of the first vessel above a pyrolysis zone (10), said pyrolysis zone being an area where the fuel introduced is pyrolyzed to produce pyrolysis gases and carbonized fuel.
  • the gasifier also has a combustion zone (20) for burning said pyrolysis gas, a reduction zone (30) for gasifying the carbonized fuel from the pyrolysis zone (10) to produce synthesis gases and ashes, and an outlet (6) for harvesting said synthesis gases.
  • the first tank (4) comprises a fixed horizontal plate (50) mounted between the introduction means (5) and the pyrolysis zone (10) in order to retain the fuel introduced therein, as well as a movable pusher (51). mounted between the introduction means (5) and the plate (50) for transferring the fuel retained on the plate to the pyrolysis zone (10).
  • the plate (50) forms a thermal shield at least partially protecting the introduction means (5) and the movable pusher (51) against the high temperatures prevailing in the first tank (4) when it is in operation.

Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention se rapporte à un gazéifieur pour la gazéification d'un combustible solide carboné, tel que par exemple de la biomasse solide.
  • Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un tel gazéifieur, comportant au moins une première cuve verticale munie de moyens d'introduction pour introduire le combustible par le haut dans ladite première cuve et présentant une zone de pyrolyse pour y pyrolyser le combustible, une zone de combustion pour brûler des gaz de pyrolyse provenant de la zone de pyrolyse, une zone de réduction pour gazéifier du combustible carbonisé provenant de la zone de pyrolyse, et une sortie pour récolter des gaz produits dans la zone de réduction, ladite première cuve comportant par ailleurs un plateau horizontal monté de manière fixe entre les moyens d'introduction et la zone de pyrolyse pour recevoir et y retenir le combustible introduit dans la cuve.
  • L'invention se rapporte aussi à une unité de production et de combustion de gaz comportant un tel gazéifieur pour produire ledit gaz.
    • État de la technique
  • De tels gazéifieurs sont connus et permettent de produire un gaz combustible à partir d'un combustible solide carboné, en particulier à partir de déchets de bois, tels que ceux provenant par exemple de scieries ou de d'exploitations forestières, ou à partir de sous-produits d'agriculture (paille, etc...), ou encore à partir de bois recyclé. Ce gaz combustible contient notamment du monoxyde de carbone et de l'hydrogène et peut ensuite être utilisé à diverses fins telles que par exemple pour alimenter une turbine à gaz ou un moteur à combustion interne ou une chaudière ou un four.
  • Afin d'alimenter la première cuve en combustible, il est connu de prévoir des moyens d'introduction de combustible qui sont étanches aux gaz qui seront produits dans la cuve. Cette étanchéité permet d'éviter que les gaz produits dans la cuve ne remontent vers les systèmes de stockage et d'alimentation de combustible, de sorte que lesdits gaz se dirigeront essentiellement vers la sortie lorsque le gazéifieur est en fonctionnement. Il est connu d'utiliser à cette fin un mécanisme de sas à l'entrée de la première cuve.
  • La demande de brevet WO 2007/081296 divulgue un gazéifieur comportant une vanne rotative située dans la partie supérieure du réacteur. Ce dispositif présente l'avantage de pouvoir bien doser l'alimentation en combustible, mais il présente toutefois l'inconvénient de ne pas être suffisamment étanche aux gaz et de nécessiter un mécanisme d'étanchéité supplémentaire en amont, ce qui en augmente le coût. De plus, la vanne doit pouvoir résister aux hautes températures qui règnent dans la première cuve lorsque le gazéifieur est en fonctionnement, ce qui nécessite des vannes particulièrement onéreuses. Le document NL8200417A divulgue un gazéifieur similaire et présentant les mêmes inconvénients que WO 2007/081296 d'un point de vue thermique.
  • D'autres mécanismes font appel uniquement à un sas à deux clapets en lieu et place de la vanne rotative dont question ci-dessus. Outre le fait que ce genre de mécanisme est moins performant au niveau du dosage de matière (dosage discontinu), le clapet inférieur doit également résister auxdites hautes températures et est donc coûteux.
    La demande de brevet WO 2001/051591 divulgue un gazéifieur comportant un sas disposé latéralement par rapport à la partie supérieure du réacteur, ce qui permet d'obtenir une bonne étanchéité aux gaz, ainsi qu'une conduite latérale munie d'une vis sans fin faisant office de liaison entre le sas et la première cuve, ce qui permet également de bien doser l'alimentation en matière. Toutefois, un tel dispositif est coûteux et encombrant. La vis sans fin est également susceptible de s'encrasser, ce qui nécessite de l'entretien, et/ou de se bloquer par des morceaux de combustible. De plus, comme l'extrémité de la vis débouche dans la cuve, elle est soumise aux hautes températures qui y règnent lorsque le gazéifieur est en fonctionnement, ce qui nécessite l'emploi d'une vis coûteuse. Le document EP0273656A1 divulgue un gazéifieur similaire à celui de WO 2001/051591 . Il comporte une cuve de pyrolyse incluant une pluralité de plateaux rétractables qui permettent de faire descendre la matière d'une manière étagée dans ladite cuve de pyrolyse. Les gaz de pyrolyse sont ensuite brulés dans une chambre de combustion séparée. Cet appareil présente les mêmes inconvénients que WO 2001/051591 d'un point de vue thermique si on imagine l'utiliser comme il est prévu d'utiliser un gazéifieur selon l'invention. De plus, les plateaux rétractables sont un dispositif couteux et complexe car au moins une partie se trouve en dehors de la cuve de pyrolyse, ce qui pose aussi des problèmes d'étanchéité.
  • La demande de brevet WO 2010/109501 divulgue un gazéifieur sous forme d'une cuve, dans la partie supérieure de laquelle le combustible est introduit latéralement. Le combustible est ensuite retenu dans une zone de séchage de la cuve au moyen d'une paroi horizontale percée d'un orifice en son centre. Au travers de cet orifice est placée verticalement une vis sans fin qui permet de transférer le combustible de la zone de séchage vers une zone de pyrolyse située juste en dessous de la paroi horizontale. Cette vis sans fin débouche dans la zone de pyrolyse et doit pouvoir résister aux hautes températures qui y règnent lorsque le gazéifieur est en fonctionnement, ce qui nécessite des vis particulièrement résistantes et onéreuses. La vis sans fin est également susceptible de s'encrasser, ce qui nécessite de l'entretien, et/ou de se bloquer par des morceaux de combustible.
    • Résumé de l'invention
  • Un but de l'invention est de résoudre au moins partiellement les problèmes des gazéificateurs évoqués ci-dessus.
  • A cette fin, le gazéifieur selon l'invention est caractérisé en ce que la première cuve comporte un poussoir mobile monté entre les moyens d'introduction et le plateau horizontal, ledit poussoir mobile étant conçu pour pousser le combustible retenu sur le plateau horizontal vers la zone de pyrolyse et étant positionné ou positionnable au dessus du plateau horizontal.
  • Grâce à une telle configuration, le plateau horizontal formera un écran thermique qui protègera à la fois les moyens d'introduction de combustible et le poussoir contre les hautes températures qui règnent dans la première cuve (contre le rayonnement et les flammes en particulier). Ceci permet d'utiliser des mécanismes de transfert de matière (moyens d'introduction ; poussoir) moins coûteux et/ou d'augmenter leur durabilité et/ou leur fiabilité.
  • Un tel poussoir mobile prend également moins de place en hauteur et il est plus simple et plus fiable que la vis sans fin verticale (12) proposée dans le brevet WO-2010/109501 .
  • De préférence, le poussoir mobile comporte au moins une branche s'étendant horizontalement au dessus du plateau et montée rotative autour d'un premier axe vertical. Un poussoir rotatif permet en effet de mieux répartir le combustible sur le lit de combustible dans la zone de pyrolyse ce qui améliore la qualité de la réaction de pyrolyse. En particulier, ceci permet de réduire la teneur en goudrons du gaz produit.
  • Différents mécanismes ont par ailleurs été imaginés par le passé pour mieux répartir le combustible sur le lit de combustible après son introduction dans la première cuve.
    Le brevet US 5,755,837 (voir ses figures 4 et 5) propose par exemple de munir la partie supérieure de la première cuve d'un déversoir incliné. Ce dispositif provoquera néanmoins une accumulation plus importante de matière à l'endroit de leurs points de chute sur le lit de combustible. En particulier, le niveau de combustible sera plus important sur la partie périphérique de la première cuve que dans sa partie centrale.
    Le brevet GB 696682 propose quant à lui de munir la partie supérieure de la première cuve d'un mécanisme à deux plateaux rotatifs percés d'orifices. Ici aussi, le combustible se posera préférentiellement au droit des orifices. Par ailleurs, ce mécanisme est susceptible de s'encrasser et/ou de se bloquer par des morceaux de combustible.
  • Afin d'adresser ces problèmes, le gazéifieur selon l'invention comporte de préférence des moyens de nivelage aptes à niveler au moins partiellement une surface supérieure du lit de combustible solide dans la zone de pyrolyse. Les inventeurs ont ainsi prévu un mécanisme agissant directement sur le lit de combustible plutôt que d'agir sur le déversement de combustible sur le lit, réduisant ou supprimant ainsi les inconvénients des mécanismes connus. Les moyens de nivelage permettent d'encore mieux répartir le combustible sur le lit de combustible dans la zone de pyrolyse, ce qui améliore la qualité de la réaction de pyrolyse.
  • Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de nivelage comportent au moins un bras s'étendant horizontalement au niveau de la surface supérieure du lit de combustible solide dans la zone de pyrolyse, ledit au moins un bras étant monté rotatif autour d'un deuxième axe vertical C. Ceci constitue en effet un moyen simple, fiable et efficace pour répartir la matière solide plus uniformément sur le lit de matière dans la zone de pyrolyse.
    • Brève description des figures
  • Ces aspects ainsi que d'autres aspects de l'invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :
    • Fig.1
    montre schématiquement une coupe frontale d'un gazéifieur selon l'invention;
    Fig.2
    montre schématiquement une coupe frontale d'un mode de réalisation préféré d'un gazéifieur selon l'invention;
    Fig.3
    montre schématiquement une coupe transversale du gazéifieur de la Fig.2;
    Fig.4
    montre schématiquement une coupe frontale d'un mode de réalisation plus préféré d'un gazéifieur selon l'invention;
    Fig.5
    montre schématiquement une coupe frontale d'un mode de réalisation encore plus préféré d'un gazéifieur selon l'invention;
    Fig.6
    montre schématiquement une coupe transversale du gazéifieur de la Fig.5 ;
    Figs.7a et 7b
    montrent schématiquement, respectivement une coupe frontale et transversale d'un mode de réalisation encore plus préféré d'un gazéifieur selon l'invention ;
    Figs.8a et 8b
    montrent respectivement une coupe frontale et une coupe transversale d'un mode de réalisation préféré d'un gazéifieur selon l'invention.
  • Les dessins des figures ne sont pas à l'échelle. Généralement, des éléments semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures.
    • Description détaillée de modes de réalisation particuliers
  • Les exemples de réalisation décrits ci-après concernent un gazéifieur à co-courant, à lit fixe, et formé par une seule cuve comportant à la fois la zone de pyrolyse, la zone de combustion et la zone de réduction. Il sera évident que l'invention n'est pas limitée à ce type de gazéifieur mais concerne l'ensemble des gazéifieurs présentant les caractéristiques du préambule de la première revendication, tels que par exemple des gazéifieurs à contre-courant, ou encore des gazéifieurs comportant plusieurs cuves mises à suite les unes des autres, la première cuve étant celle où ont lieu les réactions de pyrolyse du combustible.
  • De même, les exemples de réalisation décrits ci-après utilisent de la biomasse solide en tant que combustible exemplaire, mais il sera évident que tout autre type de combustible solide carboné conviendra également.
  • La Fig.1 montre schématiquement une coupe frontale d'un gazéifieur (1) selon l'invention. Il s'agit dans cet exemple d'un gazéifieur à co-courant et à lit fixe. Ce gazéifieur est formé essentiellement par un réacteur ayant la forme d'une cuve verticale (4) comportant successivement et de haut en bas :
    • un sas d'entrée (5) permettant d'introduire de la biomasse (2) dans la cuve selon un axe vertical (A),
    • une zone de pyrolyse (10) pour pyrolyser la biomasse introduite dans la cuve,
    • une zone de combustion (20) pour bruler des gaz de pyrolyse provenant de la zone de pyrolyse,
    • une zone de réduction (30) pour gazéifier de la biomasse carbonisée provenant de la zone de pyrolyse,
    • une sortie (6) pour récolter des gaz provenant de la zone de réduction, et
    • une zone (40) pour collecter et évacuer des cendres.
  • Il est à noter que le sas d'entrée peut prendre diverses formes, tel que par exemple une vanne rotative et/ou un sas à deux clapets et/ou tout autre moyen d'introduction connu de l'homme du métier.
  • La biomasse (2), par exemple des copeaux de bois, est introduite dans la cuve (4) par le haut via le sas d'entrée (5) et arrive ensuite - via le dispositif intermédiaire (50, 51) décrit plus en détail ci-après - dans la zone de pyrolyse (10) où elle se décompose, sous l'effet de la chaleur, en matières volatiles et en en un résidu solide riche en carbone généralement appelé « char » ou « coke ». Cette réaction se produit typiquement dans une gamme de température comprise entre 300 °C et 700°C.
  • Afin d'atteindre ces températures, la cuve comporte généralement des premiers moyens d'admission d'un agent de pyrolyse (11) - par exemple une ou plusieurs tuyère(s) débouchant latéralement dans la cuve au niveau de la zone de pyrolyse - et qui permettent d'y introduire un gaz qui apportera directement ou indirectement l'énergie nécessaire à la décomposition de la biomasse en matières volatiles et en « char ». Ledit agent de pyrolyse peut par exemple être un gaz réactif contenant de l'oxygène qui, en brulant une fraction de la biomasse ou des produits de la décomposition de la biomasse, dégagera l'énergie nécessaire à la pyrolyse. Il peut également s'agir d'un gaz inerte (tel le dioxyde de carbone, l'azote, la vapeur d'eau) qui, préchauffé, apportera l'énergie nécessaire à la pyrolyse. Il peut également s'agir d'une combinaison de ces deux types de gaz.
  • Le « char » est ensuite transféré vers la zone de réduction (30) par des moyens biens connus, par exemple ceux décrits dans la demande de brevet EP11171156 .
  • Les matières volatiles (aussi appelés « gaz de pyrolyse ») entrant dans la zone de combustion (20) y sont brulées partiellement ou totalement. Afin de favoriser cette combustion, la cuve comporte de préférence des seconds moyens d'admission d'un agent gazéifiant (21). Ces seconds moyens d'admission peuvent par exemple comporter une plusieurs tuyère(s) débouchant latéralement dans la cuve au niveau de la zone de combustion. Par « agent gazéifiant », il faut comprendre un gaz apte à réagir avec le carbone et/ou avec l'hydrogène contenu dans le combustible solide. Ledit agent gazéifiant peut donc par exemple être de l'air ambiant, un gaz à plus forte concentration en oxygène, de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone ou encore un mélange de ces gaz. Cette combustion produit essentiellement du dioxyde de carbone (CO2), de l'eau (H2O), et bien entendu de la chaleur. Typiquement, des températures supérieures à 1100 °C sont atteignables dans la zone de combustion.
    Le « char » qui a été transféré dans la zone de réduction réagira avec les produits de combustion pour former notamment du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène (H2).
    Dans le cas par exemple d'une réaction autothermique de matériaux ligno-cellulosiques - tel que le bois - et de l'utilisation d'air ambiant à température ambiante en tant qu'agent gazéifiant, cette réaction se produit typiquement dans une gamme de température comprise entre 300 °C et 800°C. Cette température pourra néanmoins être plus élevée et atteindre ou même dépasser 1300 °C dans le cas où on utilise un combustible plus riche en carbone et/ou qu'on utilise des réactifs préchauffés. Les gaz produits par cette réaction seront récoltés à la sortie (6) du réacteur qui est située dans le bas de la cuve (4). On retrouve ainsi à la sortie (6) un gaz combustible comprenant typiquement environ 15% à 30% de CO, 10% à 25% de H2, 0.5 à 3% de CH4, 5% à 15% de CO2 et 49% de N2 lorsqu'un utilise de l'air ambiant comme agent gazéifiant.
    Les cendres pourront être récoltées dans le fond (40) de la cuve.
  • De tels gazéifieurs sont connus et il ne sera donc pas entré plus en détails dans leur conception ou leur fonctionnement.
  • L'attention sera à présent portée sur le dispositif (50, 51) se situant juste en dessous du sas d'entrée (5).
  • Ce dispositif comporte d'une part un plateau horizontal (50) monté de manière fixe entre le sas d'entrée (5) et la zone de pyrolyse (10). Ledit plateau (50) est positionné et dimensionné pour recevoir et y retenir au moins partiellement le combustible (2) introduit dans la cuve (4) via le sas d'entrée (5).
    De préférence, le plateau est positionné et dimensionné de manière à ce qu'il retienne complètement le combustible et que ce dernier ne puisse que s'écouler vers la zone de pyrolyse sous une action extérieure, tel que sous l'action du poussoir décrit ci-après.
    A cette fin, la position et la dimension du plateau seront adaptées aux propriétés d'écoulement du combustible utilisé, en particulier de son angle de talus (ex. pour des copaux de bois, l'angle de talus est de l'ordre de 60°).
  • Le dispositif comporte par ailleurs un poussoir mobile (51) monté entre le sas d'entrée (5) et le plateau horizontal (50). Ledit poussoir (51) est positionné au dessus du plateau horizontal (50), de manière à ce que le plateau horizontal forme un écran thermique protégeant le poussoir de la chaleur régnant en dessous du plateau lorsque le gazéifieur est en fonctionnement. Comme illustré sur la figure, il peut s'agir par exemple d'un vérin horizontal et au bout duquel est montée une plaque verticale faisant office de poussoir. Lorsque le vérin est actionné, le combustible retenu sur le plateau sera poussé par la plaque et tombera par gravité dans la zone de pyrolyse (10). Le dosage de combustible pourra être réalisé en contrôlant le mouvement du vérin.
  • La Fig.2 montre schématiquement une coupe frontale d'un mode de réalisation préféré d'un gazéifieur selon l'invention. Selon ce mode préféré, le poussoir mobile (51) comporte au moins une branche (52) s'étendant horizontalement au dessus du plateau horizontal (10) et montée rotative autour d'un premier axe vertical (B). Cette branche peut par exemple être constituée d'une plaque verticale.
    Une extrémité de la branche est ici reliée à un arbre d'un moteur (M) pour permettre la mise en rotation de la branche. Le poussoir mobile (51, 52) est ainsi positionnable au dessus du plateau horizontal (50), ce qui permet au plateau de remplir son rôle d'écran thermique lorsque le poussoir est effectivement positionné au dessus du plateau. On comprendra que le poussoir peut temporairement déborder du plateau lorsque le moteur (M) est mis en rotation, mais qu'il importe que le poussoir puisse à un moment ou à un autre être positionné au dessus du plateau.
    De préférence, le moteur (M) est muni d'un réducteur de vitesse afin d'augmenter le couple et la précision du mouvement transmis à la première branche. De préférence, le moteur (M) est monté au dessus du plateau afin que le plateau forme également un écran thermique vis-à-vis du moteur. De manière plus préférée, le moteur (M) est monté en dehors de la cuve, auquel cas son arbre passera au travers de la partie supérieure de la cuve via un joint ou un palier étanche pour être relié ensuite à la première branche (cas non-illustré).
  • De préférence, le premier axe (B) est décalé par rapport à l'axe (A).
  • La Fig.3 montre schématiquement une coupe transversale du gazéifieur de la Fig.2. On y voit un exemple de la forme que peut avoir le plateau horizontal (50) et la branche (52) du poussoir et comment ces deux éléments peuvent être disposés l'un par rapport à l'autre.
  • De préférence, le gazéifieur comporte un moteur (M) pour entraîner l'au moins une branche (52) du poussoir en rotation autour du premier axe (B) et des premiers moyens de contrôle (60) aptes à contrôler le moteur (M) pour donner un mouvement de balancier à ladite au moins une branche (52) autour dudit premier axe (B). Pour cela, on peut utiliser par exemple un moteur dont le sens de rotation peut être inversé, tel que par exemple un moteur à courant continu.
  • Ceci permet de faire déborder la biomasse par une première extrémité (56) du plateau lorsque le moteur tourne selon un premier sens de rotation et de faire déborder la biomasse par une deuxième extrémité (57) du plateau, opposée au premier coté, lorsque le moteur tourne selon un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation. Ceci permet d'obtenir une répartition plus uniforme du combustible sur le lit dans la zone de pyrolyse.
  • De manière préférée, les premiers moyens de contrôle (60) sont aptes à régler une position angulaire de départ (P1) ainsi qu'une amplitude (A1) du mouvement de balancier, ce qui permet de régler encore plus précisément le transfert de biomasse du plateau vers la zone de pyrolyse. A cette fin, on peut par exemple faire appel à un moteur pas-à-pas muni d'une roue d'encodage de la position angulaire de l'arbre du moteur ainsi qu'un contrôleur approprié, ce type d'ensemble étant largement connu en tant que tel.
  • La Fig.4 montre schématiquement une coupe frontale d'un mode de réalisation plus préféré d'un gazéifieur selon l'invention.
    Ici, la première cuve (4) comporte en outre des moyens de nivelage (70) aptes à niveler au moins partiellement une surface supérieure (80) du lit de biomasse dans la zone de pyrolyse (10). Comme illustré sur la figure, ces moyens de nivelage comportent par exemple un vérin horizontal dont l'extrémité est munie d'un racloir. Ledit racloir est situé au niveau de la surface supérieure (80) du lit de biomasse dans la zone de pyrolyse (10). De préférence, le racloir a la forme d'un râteau dont les dents sont orientées vers le bas. L'actionnement du vérin permettra ainsi de niveler ladite surface supérieure (80) du lit de biomasse.
  • La Fig.5 montre schématiquement une coupe frontale d'un mode de réalisation encore plus préféré d'un gazéifieur selon l'invention. Selon cette version plus préférée, les moyens de nivelage (70) comportent au moins un bras de nivelage (71) s'étendant horizontalement au niveau de la surface supérieure (80) du lit de combustible solide dans la zone de pyrolyse (10), ledit au moins un bras de nivelage (71) étant monté rotatif autour d'un deuxième axe vertical (C). Le bras de nivelage peut par exemple être constitué d'une plaque verticale ou d'un râteau dont les dents sont orientées vers le bas.
    Une extrémité du bras de nivelage (71) est ici reliée à un arbre d'un moteur (M) pour permettre la mise en rotation dudit bras (71). De préférence, ce moteur (M) est muni d'un réducteur de vitesse afin d'augmenter le couple et la précision du mouvement transmis au bras (71). L'actionnement du moteur permettra ainsi de niveler la surface supérieure (80) du lit de biomasse lorsque le gazéifieur est en fonctionnement.
    La Fig.6 montre schématiquement une coupe transversale du gazéifieur de la Fig.5 . On y voit mieux le bras de nivelage (71) et son mouvement rotatif.
  • De préférence, les moyens de nivelage comportent six bras montés radialement tous les 60 degrés autour d'un arbre rotatif d'axe C.
  • De préférence, l'axe B et l'axe C sont confondus. De manière plus préférée, l'au moins une branche (52) du poussoir et l'au moins un bras (71) des moyens de nivelage sont montés sur un même arbre rotatif (75). Un exemple de réalisation est fourni aux Figs. 7a et 7b.
    Ici, un seul moteur (M3) entraine à la fois la branche (52) du poussoir et le bras de nivelage (71) via un arbre rotatif commun (75), ce qui simplifie l'assemblage et le rend donc moins couteux, moins encombrant et plus fiable.
    Dans une telle configuration, la branche (52) du poussoir et le bras de nivelage (71) sont de préférence montés en opposition, c'est-à-dire décalés angulairement de 180 degrés, comme on le voit mieux sur la Fig. 7b. Lorsque le moteur commun (M3) est piloté pour imprimer un mouvement de balancier à la branche (52) et au bras (71), ceci permet de s'assurer que, lors de chaque mouvement aller ou retour, le bras (71) passera au dessus de la biomasse déversée précédemment sur le lit (80) de biomasse par la branche (52) du poussoir. On obtient ainsi une très bonne égalisation de la surface du lit de biomasse dans la zone de pyrolyse, ce qui améliore la réaction de pyrolyse.
  • Les Figs.8a et 8b montrent respectivement une coupe frontale et une coupe transversale d'un mode de réalisation préféré d'un gazéifieur selon l'invention. Ici, le plateau est formé par une plaque fixe (50) qui s'étend substantiellement sur toute la section transversale de la cuve (4). La plaque (50) est par ailleurs munie d'au moins une ouverture (58) au travers de laquelle le poussoir (52) peut pousser le combustible (2) retenu par la plaque pour qu'il tombe par gravité dans la zone de pyrolyse (10). L'ouverture (58) est décalée par rapport aux moyens d'admission (5) afin que le combustible ne puisse tomber directement dans la zone de pyrolyse. Pour le reste, ce gazéifieur est semblable à ceux décrits ci-dessus.
    Comme on le voit sur la Fig.8a, le moteur (M3) sera de préférence déporté hors de la cuve (4) afin de pouvoir y accéder plus facilement et afin qu'il ne soit pas soumis aux conditions régnant à l'intérieur de la cuve (température, présence de gaz, etc...).
  • Bien d'autres formes de plateau et de poussoir peuvent être envisagées, du moment que le plateau soit apte à retenir le combustible provenant des moyens d'introduction (5) et que le poussoir (52) soit apte à pousser et à faire tomber par gravité le combustible retenu, vers la zone de pyrolyse (10).
  • L'invention porte également sur une unité de production et de combustion de gaz comportant un gazéifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes pour produire ledit gaz. Il peut d'agir par exemple d'un ensemble comportant un gazéifieur tel que décrit ci-dessus et d'un moteur à combustion interne, la sortie (6) du gazéifieur étant branché sur un système d'admission de carburant du moteur à combustion interne.
  • La présente invention a été décrite en relation avec des modes de réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. D'une manière générale, il apparaîtra évident pour l'homme du métier que la présente invention n'est pas limités aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus. L'invention comprend chacune des caractéristiques nouvelles ainsi que toutes leurs combinaisons.
  • La présence de numéros de référence aux dessins ne peut être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros sont indiqués dans les revendications. L'usage des verbes « comprendre », « inclure », « comporter », ou toute autre variante, ainsi que leurs conjugaisons, ne peut en aucune façon exclure la présence d'éléments autres que ceux mentionnés.
    L'usage de l'article indéfini « un », « une », ou de l'article défini « le », « la » ou « l' », pour introduire un élément n'exclut pas la présence d'une pluralité de ces éléments.
  • En résumé, l'invention peut également être décrite comme suit : un gazéifieur de combustible solide carboné (2) comportant au moins une première cuve verticale (4) et des moyens d'introduction (5) pour introduire le combustible (2) dans une partie supérieure de la première cuve au dessus d'une zone de pyrolyse (10), ladite zone de pyrolyse étant une zone où le combustible introduit est pyrolysé pour produire des gaz de pyrolyse et du combustible carbonisé. Le gazéifieur comporte également une zone de combustion (20) pour brûler lesdits gaz de pyrolyse, une zone de réduction (30) pour gazéifier le combustible carbonisé provenant de la zone de pyrolyse (10) afin de produire des gaz de synthèse et des cendres, et une sortie (6) pour récolter lesdits gaz de synthèse. La première cuve (4) comporte un plateau horizontal fixe (50) monté entre le moyens d'introduction (5) et la zone de pyrolyse (10) afin d'y retenir le combustible introduit, ainsi qu'un poussoir mobile (51) monté entre les moyens d'introduction (5) et le plateau (50) pour transférer le combustible retenu sur le plateau vers la zone de pyrolyse (10). Le plateau (50) forme un écran thermique protégeant au moins partiellement les moyens d'introduction (5) et le poussoir mobile (51) contre les hautes températures régnant dans la première cuve (4) lorsque celle-ci est en fonctionnement.

Claims (10)

  1. Gazéifieur (1) pour la gazéification de combustible solide carboné (2), comportant au moins une première cuve verticale (4) munie de moyens d'introduction (5) pour introduire le combustible (2) par le haut dans ladite première cuve (4) et présentant successivement et de haut en bas :
    - une zone de pyrolyse (10) pour y pyrolyser le combustible et comportant des premiers moyens d'admission (11) d'un agent de pyrolyse,
    - une zone de combustion (20) pour brûler des gaz de pyrolyse provenant de la zone de pyrolyse (10) et comportant des seconds moyens d'admission (21) d'un agent gazéifiant, lesdits seconds moyens d'admission (21) étant différents desdits premiers moyens d'admission (11),
    - une zone de réduction (30) pour gazéifier du combustible carbonisé provenant de la zone de pyrolyse (10),
    et présentant une sortie (6) pour récolter des gaz produits dans la zone de réduction,
    caractérisé en ce que ladite première cuve (4) comporte un plateau horizontal (50) monté de manière fixe entre les moyens d'introduction (5) et la zone de pyrolyse (10) pour recevoir et y retenir le combustible (2) introduit dans la cuve (4),
    et en ce que la première cuve (4) comporte un poussoir mobile (51) monté entre les moyens d'introduction (5) et le plateau horizontal (50), ledit poussoir mobile (51) étant conçu pour pousser le combustible retenu sur le plateau horizontal vers la zone de pyrolyse et étant positionné ou positionnable au dessus du plateau horizontal (50) ;
  2. Gazéifieur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poussoir mobile (51) comporte au moins une branche (52) s'étendant horizontalement au dessus du plateau (10) et montée rotative autour d'un premier axe vertical (B);
  3. Gazéifieur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur (M) pour entraîner l'au moins une branche (52) du poussoir en rotation autour du premier axe (B) et des premiers moyens de contrôle (60) aptes à contrôler le moteur (M) pour donner un mouvement de balancier à ladite au moins une branche (52) autour dudit premier axe (B) ;
  4. Gazéifieur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premiers moyens de contrôle (60) sont aptes à régler une position angulaire de départ (P1) ainsi qu'une amplitude (A1) du mouvement de balancier;
  5. Gazéifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première cuve (4) comporte des moyens de nivelage (70) aptes à niveler au moins partiellement une surface supérieure (80) du lit de combustible solide dans la zone de pyrolyse (10) ;
  6. Gazéifieur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de nivelage (70) comportent au moins un bras de nivelage (71) s'étendant horizontalement au niveau de la surface supérieure (80) du lit de combustible solide dans la zone de pyrolyse (10), ledit au moins un bras (71) étant monté rotatif autour d'un deuxième axe vertical (C);
  7. Gazéifieur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de nivelage comportent six bras montés radialement tous les 60 degrés autour d'un arbre rotatif d'axe C;
  8. Gazéifieur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'axe B et l'axe C sont confondus ;
  9. Gazéifieur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'au moins une branche (52) du poussoir et l'au moins un bras (71) des moyens de nivelage sont montés sur un même arbre rotatif (75) ;
  10. Unité de production et de combustion de gaz comportant un gazéifieur selon l'une quelconque des revendications précédentes pour produire ledit gaz.
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