EP3498806A1 - Système d'alimentation en poudre par formation de cyclone, procédé et installation de gazéification de charge de matière carbonée dans un réacteur à flux entraîné (rfe) utilisant un tel système - Google Patents

Système d'alimentation en poudre par formation de cyclone, procédé et installation de gazéification de charge de matière carbonée dans un réacteur à flux entraîné (rfe) utilisant un tel système Download PDF

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EP3498806A1
EP3498806A1 EP18211950.3A EP18211950A EP3498806A1 EP 3498806 A1 EP3498806 A1 EP 3498806A1 EP 18211950 A EP18211950 A EP 18211950A EP 3498806 A1 EP3498806 A1 EP 3498806A1
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gas
powder
casing
cyclone
injection
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Christian Perret
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/50—Fuel charging devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23G5/442—Waste feed arrangements
    • F23G5/444—Waste feed arrangements for solid waste
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    • F23G7/10—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of field or garden waste or biomasses
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23K3/02—Pneumatic feeding arrangements, i.e. by air blast
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23G2205/00—Waste feed arrangements
    • F23G2205/20—Waste feed arrangements using airblast or pneumatic feeding

Definitions

  • the present invention generally relates to a powder supply system for a part of a downstream installation, such as a reactor in a thermochemical conversion plant.
  • the invention relates more particularly to an application of food, pressurized containers or not, in powders of carbonaceous material charge, such as biomass, coal or any other type of powders such as a crushed waste ...
  • the Containers to be fed can advantageously be gasification reactors, or other thermochemical conversion systems.
  • the mass flow rates of solid can be very variable, from a few kilograms up to several tons per hour in industrial conditions.
  • the invention aims to improve such powder supply systems.
  • the invention finds its application in a process for gasification of biomass and, more generally, carbonaceous material feedstock, in a flow-type gasification reactor driven, to produce fuels or fuels.
  • the invention can be used for the conversion of other charges of carbonaceous material (coal, pet coke, organic waste ...) or solid recovered fuels (CSR).
  • carbonaceous filler means any combustible material consisting of carbon-containing compounds.
  • biomass ie any inhomogeneous material of plant origin containing carbon, such as lignocellulosic biomass, forest or agricultural residues (straw), or household waste. All these loads can be dry or wet.
  • CSR solid recovery fuels
  • thermochemically converting biomass or other charges into liquid or gaseous fuel by chemical synthesis necessarily include a step of gasification of the carbonaceous feedstock for obtain a synthesis gas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2).
  • CO carbon monoxide
  • H2 hydrogen
  • the actual gasification step is carried out continuously from the carbonaceous filler of different types and sizes, usually stored at atmospheric pressure.
  • the gasification of biomass and coal has been known for a long time. In general, it can be defined as a thermochemical transformation of biomass or coal by the action of heat in the presence of gassing agents. It is sought to generate, after the gasification, a gas mixture said synthesis gas which comprises carbon monoxide and hydrogen (CO + H2) among others.
  • the gasification processes of the lignocellulosic biomass make it possible to generate a synthesis gas which makes it possible to produce downstream either liquid fuels or other organic products.
  • This gasification takes place in the presence typically of water vapor at 1300-1600 ° C for driven flow reactors (RFE).
  • RFE driven flow reactors
  • these processes convert carbon from biomass with a gas at the outlet of the gasifier with an average composition of 20-25% CO, 8-12% CH 4 , 18-22% CO 2 and about 38-42% in H 2 and organic compounds C 2 to C 16 plus inorganic compounds.
  • the primary reason for pulverizing the biomass material is the need for sufficiently rapid gasification of the particles that make it up. Indeed, for the powder has time to be completely gasified during its fall in the reactor it must be sufficiently fine.
  • the atomized jet is then brought into contact with the oxidizing agent, a mixture of oxygen and water vapor.
  • the mixture with the oxidant must be done quickly and in the most homogeneous manner possible.
  • the combustion of a part of the material is one option among others to bring the necessary heat to the gasification process.
  • the biomass is injected into the entrained flow reactor (RFE) preferably via a small diameter tube, typically from 1 cm to a few centimeters, which makes it possible to limit the rise of heat and gas in the biomass feed system. .
  • RFE entrained flow reactor
  • the biomass powder feed of a driven flow gasification reactor and, more generally, a powder feed of various and varied containers, must be made with a conveying device with powder dosing, that is to say which makes it possible to convey and control the quantity of powder, and downstream with a device for the injection of powders into a container, continuously or discontinuously.
  • patent application WO2012 / 152742A1 discloses a rotary lock for metering a powder which feeds directly from the lock a kneader.
  • the patent US9227790B2 relates to a gasification plant for biomass or coal in which the powder is conveyed by a helical worm conveyor.
  • pressurization airlock whose more or less important volume defines the fineness of the dosage.
  • One advantage of locks and pressurizing airlocks is that they also have a sealing effect against possible pressure fluctuations upstream and downstream.
  • the main disadvantage of using a hopper for storing a cohesive powder is that its flow is done by forming a kind of chimney, or even arches that will limit the flow of powder out of the hopper, even prevent it.
  • Another solution usually consists in arranging a large number of metering devices, either in fluidic series with a volume, therefore a decreasing flow rate, for example rotating locks with an increasing number of buckets of decreasing size going towards the point. injection, or in parallel, with an alternating dosage of several devices.
  • this solution has the disadvantage of generating a significant footprint.
  • problems of plugging by compaction of the powder in the cups occur frequently.
  • a conveying with gas also referred to as "aerated injection”
  • a conveying with gas also referred to as "aerated injection”
  • it generates a highly diluted phase flow, which may not be compatible with many downstream processes.
  • thermochemical conversion plant in which the gas does not participate in the reaction and thereby decreases the efficiency.
  • This can be particularly disadvantageous at high pressure, because of the increased density of the gas, which increases the ratios between mass flow rate of the gas and solid mass flow rate.
  • using a conveying gas by diluting the powder particles in a biomass gasification plant would require using a portion of the energy of the gasification reaction to heat the initially cold gas, which would have the effect of undesirable to decrease the overall yield of the reaction.
  • the major disadvantage of the injection cones is that the powder can cause clogging within them, due to the irregular arrival of powder in the form of packets and not constant flow, these packages can also have a certain cohesion due to compaction in the upstream conveying device, such as a worm.
  • One solution is to add a vibratory system to the injection cone, which as for the injection hopper is expensive and does not guarantee the absence of clogging.
  • the object of the invention is to at least partially meet this (these) need (s).
  • the gas circuit comprises a gas inlet duct opening in a tangential direction in the upper part of the cylinder of the casing.
  • the inlet duct may be of rectangular section.
  • the gas circuit comprises a gas outlet duct opening on the top in the axis of the cylinder of the casing.
  • the outlet duct is a cylinder mounted inside and coaxially with the cylinder of the casing.
  • the metering conveying device comprises a worm whose output opens into the cylinder of the envelope.
  • the flow rate of gas forming the cyclone is of the order of 3.5 l / s, for a conveyed powder particle rate of between 0 and 50 kg / h.
  • the size of the particles of powder conveyed is between 10 .mu.m and 1 mm.
  • the invention essentially consists in creating a fluidization of the powder by generating a cyclone of entrainment gas of the powder particles in the volume of an injection envelope.
  • the circulation circuit is configured to circulate the gas in closed circuit by recovering the gas having circulated on the top of the envelope to reinject it tangentially to the cylinder of the envelope in its upper part.
  • the rotational speeds of the gas within the cyclone are sufficiently high to entrain the powder particles that are discharged through the outlet of the cone by gravity, that is to say by their own weight.
  • a continuous installation implements the process of a gasification of a carbonaceous charge by supplying the charge under a powder by a system 1 adapted, in a reactor 4 of type to driven flow.
  • the gasification reactor 4 entrained flow (EFR or RFE, English acronym for "entrained flow reactor”) preferably operating at temperatures typically between 1300 to 1600 ° C and a pressure between 30 and 50 bars is fed with continuous by the load by a conveying device with dosage 2.
  • the carbonaceous material feed is prepared by grinding to be put into the form of a powder P which is stored in a suitable storage hopper 20.
  • the continuous feed with metering is carried out by means of at least one worm 21, for example as described in the patent application. WO 2005/092749 .
  • an injection cone 3 which makes it possible to inject the carbonaceous feed powder directly into the reactor 4 situated below said cone 3.
  • the powder can flow by forming a chimney in the storage hopper 20, possibly with the formation of arches which will limit the flow of powder out of the hopper 20 or even prevent it.
  • the powder may tend to compact in the worm 21, which can lead to the blocking of the latter.
  • the irregular arrival of the powder in the form of packets and not constant flow in the injection cone 3 can lead to clogging, the packets may also have some cohesion due to compaction in the worm 21 .
  • FIGS. 2A to 2F show different variants of pressurized gas injection devices for fluidifying the powder which feeds a cone 3 or injection hopper.
  • the gas injection also has the major drawbacks of creating overpressures in the powder injection device and generating a gas stream which is injected additionally into the downstream thermochemical reactor, which is not necessarily desirable.
  • Vibratory devices do not really provide more effective solutions.
  • the inventor has thought to generate a cyclone in the volume of a casing of a powder injection device by performing a gas flow within it.
  • the circulation of the gas is advantageously provided to recover the injected gas and reinject it into the envelope volume, so that it does not escape through the outlet orifice of the powder at the bottom of the envelope.
  • the powder supply system first comprises a powder conveying device 21 which may be customary for supplying the powder inside a powder injection device in the form of an envelope 6.
  • This casing 6 of longitudinal axis X is constituted by a hollow cylinder 60 extended downwards by a truncated cone 61 comprising an outlet orifice 62 or discharge of the powder P.
  • the powder conveying device 21 may comprise a worm whose output opens into the cylinder 60 of the envelope 6.
  • a gas circulation circuit 7 makes it possible to inject gas into the upper part of the cylinder 6.
  • the gas is injected tangentially to the cylinder 60 through an inlet duct 70, circulates internally over at least the height of the cylinder 60 forming a cyclone and then exits through the outlet duct 71.
  • the outlet duct 71 is formed by a coaxial hollow cylinder and mounted partly inside the cylinder 60 of the casing 6.
  • the powder particles can be driven by the rotating gas according to the generated cyclone. Naturally, care is taken to generate gas rotation speeds that are high enough to entrain the P powder particles.
  • the powder P is evacuated under the effect of its own weight by the outlet orifice 62.
  • the figure 4 illustrates the shapes and dimensions to be given to the various components of the powder supply 21, the casing and the gas circuit 7, to effectively generate a cyclone.
  • the rotational speed of the cyclone gas in the hollow cylinder 60 is of the order of 5 m / s.
  • the figure 5 shows the trajectories of the gas G in the outer periphery of the cyclone.
  • the figure 6 shows the trajectory of the P biomass powder particles. It is verified that the particles are taken in the swirling motion of the cyclone, ie driven by the cyclone, towards the bottom of the cone 61. These particles are then evacuated by 62. No particles reach the center of the cyclone because of the cutting diameter of the cyclone much lower than the minimum diameter of the injected particles.
  • the particles of the powder P which can feed the cyclone can be very thin and typically have a size of between 10 microns and 1 mm.
  • the conversion plant into a fuel or a fuel, in particular a liquid fuel, or another synthetic product may be used for the conversion of other feeds of carbonaceous material.

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Abstract

L'invention concerne un système (1) d'alimentation en poudre, comprenant:
- un dispositif de convoyage (2) avec dosage, adapté pour convoyer un ou des matériaux sous la forme de granulés, selon un débit moyen donné;
- un dispositif d'injection (6) alimenté en poudre par le dispositif de convoyage, qui est sous la forme d'une enveloppe délimitée par un cylindre creux prolongé par un tronc de cône comprenant un orifice de sortie;
- un circuit de circulation de gaz à l'intérieur de l'enveloppe, le circuit étant fermé sur lui-même pour réinjecter à l'intérieur de l'enveloppe le gaz récupéré en sortie de celle-ci, le circuit étant adapté pour générer un cyclone de gaz à l'intérieur de l'enveloppe au moins sur une partie de la hauteur de cylindre, de sorte que le cyclone généré entraîne les particules de poudre vers le bas de l'enveloppe afin qu'elles soient évacuées par gravité par l'orifice de sortie.

Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne de manière générale un système d'alimentation en poudre d'une partie d'une installation en aval, telle qu'un réacteur dans une installation de conversion thermochimique.
  • Elle concerne en particulier les alimentations en poudres cohésives, telles que les poudres de bois, c'est-à-dire qu'elles ont une tendance naturelle à former spontanément des arches et des voûtes.
  • L'invention a trait plus particulièrement à une application d'alimentation, de contenants pressurisés ou non, en poudres de charge de matière carbonée, telle que la biomasse, le charbon ou tout autre type de poudres comme un broyat de déchets... Les contenants à alimenter peuvent être avantageusement, des réacteurs de gazéification, ou d'autres systèmes de conversion thermochimique. Dans cette application, les débits massiques de solide peuvent être très variables, depuis quelques kilogrammes jusqu'à plusieurs tonnes par heure en conditions industrielles.
  • L'invention vise à améliorer de tels systèmes d'alimentation en poudre.
  • Plus particulièrement, l'invention trouve son application dans un procédé de gazéification de la biomasse et, plus généralement de charge de matière carbonée, dans un réacteur de gazéification de type à flux entraîné, en vue de produire des combustibles ou des carburants.
  • Bien que décrite en référence à la biomasse, pour une conversion en un combustible ou un carburant, notamment un carburant liquide, ou un autre produit de synthèse, l'invention peut être utilisée pour la conversion d'autres charges de matière carbonée (charbon, pet coke, déchets organiques...) ou de combustibles solides de récupération (CSR).
    • Etat de la technique
  • On désigne sous l'appellation charge carbonée, tout matériau combustible constitué de composés contenant du carbone.
  • Il peut donc s'agir de biomasse, c'est-à-dire tout matériau inhomogène d'origine végétale contenant du carbone, tel que de la biomasse ligno-cellulosique, des résidus forestiers ou agricoles (paille), ou des déchets ménagers. Toutes ces charges peuvent être sèches ou humides.
  • Il peut aussi s'agir d'un combustible d'origine fossile, tel que le charbon.
  • Il peut aussi s'agir de déchets combustibles d'origine industrielle contenant du carbone, tel que des matières plastiques. Il peut ainsi s'agir de combustibles solides de récupération (CSR), tels que définis dans la norme EN 15359, i.e. des combustibles solides préparés à partir de déchets non dangereux destinés à être valorisés énergétiquement dans des installations d'incinération ou de co-incinération.
  • Il peut aussi s'agir d'une combinaison entre ces différentes charges.
  • Les procédés actuels en cours d'étude ou à l'échelle de pilote industriel, permettant de convertir par voie thermochimique la biomasse ou les autres charges en carburant liquide ou gazeux par une synthèse chimique, comprennent nécessairement une étape de gazéification de la charge carbonée pour obtenir un gaz de synthèse contenant du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène (H2).
  • L'étape de gazéification proprement dite est réalisée en continu à partir de la charge carbonée de nature et de granulométrie différentes stockée habituellement à la pression atmosphérique.
  • La gazéification de la biomasse et du charbon est connue depuis longtemps. De manière générale, on peut la définir comme une transformation thermochimique de la biomasse ou du charbon par l'action de la chaleur en présence d'agents gazéifiants. On cherche à générer, à l'issue de la gazéification, un mélange de gaz dit gaz de synthèse qui comprend du monoxyde de carbone et de l'hydrogène (CO+H2) entre autres.
  • Ainsi, les procédés de gazéification de la biomasse ligno-cellulosique permettent de générer un gaz de synthèse qui permet de produire en aval soit des carburants liquides soit d'autres produits organiques. Cette gazéification se déroule en présence typiquement de vapeur d'eau vers 1300-1600°C pour des réacteurs à flux entrainé (RFE). Classiquement, ces procédés convertissent le carbone de la biomasse avec un gaz en sortie du gazéifieur avec une composition moyenne de 20-25 % en CO, 8-12 % en CH4, 18-22 % en CO2 et environ 38-42 % en H2 et, des composés organiques C2 à C16 plus des composés inorganiques.
  • Il existe différents procédés de gazéification opérationnels ou au stade de recherche que l'on peut regrouper comme suit: la gazéification en lit fixe à contre-courant, à lit fixe à co-courant, en lit fluidifié et enfin, la gazéification à flux entraîné.
  • Dans un réacteur à flux entraîné (RFE), la réaction de combustion prend la forme d'une flamme, ce qui implique un mode d'injection de la biomasse bien spécifique.
  • Ainsi, celle-ci doit être introduite dans le réacteur sous forme de poudre atomisée, de granulométrie typiqument comprise entre 100µm et 1mm, en suspension dans un gaz de transport ou gaz porteur.
  • La raison première de la réduction en poudre du matériau de biomasse est la nécessité d'avoir une gazéification suffisamment rapide des particules qui la constituent. En effet, pour que la poudre ait le temps d'être gazéifiée complètement lors de sa chute dans le réacteur celle-ci doit être suffisamment fine.
  • Le jet atomisé est alors mis en contact avec l'agent oxydant, mélange d'oxygène et de vapeur d'eau. Il faut, pour obtenir une bonne combustion, que le mélange avec l'oxydant se fasse rapidement et de façon la plus homogène possible. Cela étant, la combustion d'une partie du matériau est une option parmi d'autres pour apporter la chaleur nécessaire au processus de gazéification. On peut très bien avoir un brûleur alimenté en oxygène et/ou en méthane s'il l'on ne souhaite pas brûler le matériau à gazéifier.
  • La biomasse est injectée dans le réacteur à flux entrainé (RFE) de préférence via un tube de faible diamètre, typiquément de 1 cm à quelques centimètres, ce qui permet de limiter la remontée de chaleur et de gaz dans le système d'alimentation en biomasse.
  • L'alimentation en poudre de biomasse d'un réacteur de gazéification à flux entraîné et plus généralement d'alimentation en poudre de contenants divers et variés, doit être faite avec un dispositif de convoyage avec dosage des poudres, c'est-à-dire qui permet de convoyer et contrôler la quantité de poudre, et en aval avec un dispositif servant à l'injection de poudres dans un contenant, en continu ou en discontinu.
  • Parmi les dispositifs de convoyage avec dosage répandus, on peut citer les dispositifs avec trémie de stockage reliée en aval à des vis sans fin, écluses rotatives ou les sas de pressurisation, communément appelés « lock hoppers » en anglais.
  • Par exemple, la demande de brevet WO2012/152742A1 divulgue une écluse rotative pour doser une poudre qui alimente directement depuis l'écluse un pétrisseur.
  • Le brevet US9227790B2 concerne une installation de gazéification de biomasse ou de charbon dans laquelle la poudre est convoyée par un convoyeur à vis sans fin de type hélicoïdale.
  • On rencontre également des sas de pressurisation, dont le volume plus ou moins important définit la finesse du dosage. Un avantage des écluses et des sas de pressurisation est qu'ils ont également un effet d'étanchéité vis-à-vis d'éventuelles fluctuations de pression en amont et en aval.
  • Le principal inconvénient de l'utilisation d'une trémie pour le stockage d'une poudre cohésive est que son écoulement se fait en formant en quelque sorte une cheminée, ou même avec des arches qui vont limiter le débit de poudre en sortie de trémie, voire l'empêcher.
  • L'inconvénient majeur des vis doseuses, écluses et lock-hoppers est le caractère fortement discontinu du débit de poudre généré. En outre, la compaction de la poudre dans une vis sans fin peut conduire au blocage de cette dernière.
  • Afin de pallier ces inconvénients, plusieurs solutions existent.
  • Tout d'abord, il est connu d'utiliser des systèmes vibratoires pour assurer l'écoulement de la poudre au sein de la trémie de stockage.
  • Par ailleurs, il est usuel de remplacer une vis sans fin par un convoyeur pneumatique, ce qui est coûteux et ne garantit pas l'absence de compaction de la poudre convoyée.
  • Une autre solution consiste usuellement à agencer un grand nombre de dispositifs de dosage, soit en série fluidique avec un volume, donc un pas de débit, décroissant, par exemple des écluses rotatives avec un nombre croissants de godets de taille décroissante en allant vers le point d'injection, soit en parallèle, avec un dosage alterné de plusieurs dispositifs. Outre l'investissement et les contraintes de gestion du fonctionnement alterné, cette solution a pour inconvénient de générer un encombrement non négligeable. D'autre part, pour les poudres cohésives, des problèmes de bouchage par compaction de la poudre dans les godets se produisent fréquemment.
  • Dans le domaine du convoyage et de la gazéification de poudre de charbon, la solution consiste à contrôler le débit de solide par un débit additionnel de gaz : voir publications [1], [2]. Un convoyage avec gaz, aussi désigné par « injection aérée », a pour avantage de ne pas générer d'encombrement supplémentaire. En revanche, il génère un écoulement à phase fortement diluée, ce qui peut ne pas être compatible avec bon nombre de procédés en aval.
  • Cela est particulièrement problématique dans une installation de conversion thermochimique, dans laquelle le gaz ne participe pas à la réaction et de ce fait en diminue le rendement. Ceci peut être notamment pénalisant à haute pression, du fait de la densité accrue du gaz, qui augmente les ratios entre débit de masse du gaz et débit de masse solide. Par exemple, mettre en oeuvre un gaz de convoyage par dilution des particules de poudre dans une installation de gazéification de biomasse nécessiterait d'utiliser une partie de l'énergie de la réaction de gazéification pour réchauffer le gaz initialement froid, ce qui aurait pour effet indésirable de diminuer le rendement global de la réaction.
  • En ce qui concerne les dispositifs d'injection, on peut citer la littérature ancienne et fournie sur les silos de décharge. Ces éléments de type « entonnoir » en forme de tronc de cône permettent d'injecter un matériau granulaire dans un contenant plus petit. Par contre, ces entonnoirs, usuellement appelés cônes d'injection, n'ont pas pour fonction de doser le matériau granulaire et en assurent juste une décharge par gravité. Ainsi, dans ces dispositifs d'injection connus, la valeur du débit n'est pas réglable.
  • L'inconvénient majeur des cônes d'injection est que la poudre peut provoquer des bouchages en leur sein, du fait de l'arrivée irrégulière de poudre sous forme de paquets et non d'écoulement constant, ces paquets pouvant de plus présenter une certaine cohésion due au compactage dans le dispositif de convoyage en amont, comme une vis sans fin. Une solution consiste à adjoindre un système vibratoire au cône d'injection, ce qui tout comme pour la trémie d'injection est coûteux et ne garantit pas l'absence de bouchage.
  • On peut également trouver différents dispositifs d'injection aérée par un gaz, pour fluidiser la poudre, qui sont décrits en détail dans la publication [2]. Ainsi, comme pour les dispositifs de convoyage avec dosage, ces dispositifs d'injection ne trouvent une application qu'en phase diluée avec une fraction volumique solide atteinte qui est de quelques %.
  • Un autre point pénalisant de ce type d'injection aéré est que les fonctions de dosage et d'injection de poudre ne sont pas séparées puisque c'est le mélange diphasique et donc le débit de gaz qui détermine en grande partie le débit de solide.
  • Enfin, pour des poudres très cohésives et/ou non aisément fluidisables, ce type d'injection est complexe à réaliser et très dépendant de la nature des poudres, comme expliqué par la publication [2].
  • Si dans l'art antérieur, on trouve des systèmes d'alimentation de poudres en phase dense qui associent un dispositif de convoyage avec dosage de poudre et un dispositif d'injection, les inconvénients propres à chaque dispositif subsistent.
  • Ainsi, toutes les solutions selon l'état de l'art augmentent le coût et la complexité d'un système d'alimentation en poudre et ne garantissent pas de manière systématique son bon fonctionnement suivant les propriétés de coulabilité de la poudre variables en fonction du type de matériau(x) formant la poudre.
  • Il existe donc un besoin général pour améliorer les systèmes d'alimentation de poudre d'un équipement industriel en aval, notamment afin d'éviter les problèmes de d'écoulement en cheminée avec arches, de compaction de la poudre qui peuvent conduire au conduire au bouchage de tout ou partie des systèmes et ce avec un dosage fin, précis et stable, sans que cela ne nuise au coût de réalisation des systèmes.
  • Il existe un besoin particulier d'améliorer les systèmes d'alimentation en poudre d'une charge de matière carbonée, de préférence de la biomasse ligno-cellulosique, d'une installation en continu avec réacteur de gazéification de type à flux entraîné, en vue de produire des combustibles ou des carburants, notamment en vue de s'assurer un fonctionnement fiable et d'augmenter la rentabilité de l'installation globale.
  • Le but de l'invention est de répondre au moins partiellement à ce(s) besoin(s).
    • Exposé de l'invention
  • Pour ce faire, l'invention a pour objet un système d'alimentation en poudre, comprenant:
    • un dispositif de convoyage avec dosage, adapté pour convoyer un ou des matériaux sous la forme de granulés, selon un débit moyen donné;
    • un dispositif d'injection alimenté en poudre par le dispositif de convoyage, le dispositif d'injection étant sous la forme d'une enveloppe délimitée par un cylindre creux prolongé par un tronc de cône comprenant un orifice de sortie;
    • un circuit de circulation de gaz à l'intérieur de l'enveloppe, le circuit de gaz étant fermé sur lui-même pour réinjecter à l'intérieur de l'enveloppe le gaz récupéré en sortie de celle-ci, le circuit étant adapté pour générer un cyclone de gaz à l'intérieur de l'enveloppe au moins sur une partie de la hauteur de cylindre, de sorte que le cyclone généré entraîne les particules de poudre vers le bas de l'enveloppe afin qu'elles soient évacuées par gravité par l'orifice de sortie.
  • Selon une variante de réalisation, le circuit de gaz comprend un conduit d'entrée du gaz débouchant selon une direction tangentielle dans la partie supérieure du cylindre de l'enveloppe.
  • Le conduit d'entrée peut être de section rectangulaire.
  • Selon une autre variante de réalisation, le circuit de gaz comprend un conduit de sortie du gaz débouchant sur le dessus dans l'axe du cylindre de l'enveloppe.
  • De préférence, le conduit de sortie est un cylindre monté à l'intérieur et de manière coaxiale au cylindre de l'enveloppe.
  • Selon une variante de réalisation avantageuse, le dispositif de convoyage avec dosage comprend une vis sans fin dont la sortie débouche dans le cylindre de l'enveloppe.
  • L'invention a également pour objet, sous un autre de ses aspects, un procédé de gazéification d'une charge de matière carbonée en un gaz de synthèse en vue de produire un combustible ou un carburant, notamment un carburant liquide, ou un autre produit de synthèse, comprenant les étapes suivantes :
    1. a/ convoyage avec dosage d'une poudre;
    2. b/ génération d'un cyclone de gaz au sein d'une enveloppe d'injection, de sorte à entraîner la poudre convoyée, vers le bas de l'enveloppe,
    3. c/ injection par gravité de la poudre évacuée par gravité depuis l'enveloppe, dans un réacteur de gazéification (4) de type à flux entrainé (RFE), de préférence à des températures comprises entre 1300 et 1600°C.
  • Avantageusement, le débit de gaz formant le cyclone est de l'ordre de 3,5 l/s, pour un débit de particules de poudre convoyée compris entre 0 et 50 kg/h.
  • Avantageusement encore, la taille des particules de poudre convoyée est comprise entre 10µm et 1mm.
  • L'invention a enfin pour objet, une installation de gazéification de charge matière carbonée, destinée à mettre en oeuvre en continu le procédé décrit précédemment, comprenant :
    • un système d'alimentation décrit précédemment,
    • un réacteur de gazéification de type à flux entraîné (RFE), agencé en dessous du dispositif d'injection du système d'alimentation.
  • Ainsi, l'invention consiste essentiellement à créer une fluidisation de la poudre en générant cyclone de gaz d'entraînement des particules de poudre dans le volume d'une enveloppe d'injection.
  • Le circuit de circulation est configuré pour faire circuler le gaz en circuit fermé en récupérant le gaz ayant circulé sur le dessus de l'enveloppe pour le réinjecter tangentiellement au cylindre de l'enveloppe dans sa partie supérieure.
  • Les vitesses de rotation du gaz au sein du cyclone sont suffisamment élevées pour entraîner les particules de poudre qui sont évacuées par l'orifice de sortie du cône par gravité, c'est-à-dire par leur propre poids.
  • De manière surprenante, bien que de nombreux travaux se sont penchés sur la problématique du convoyage et de l'injection d'une charge carbonée sous la forme de poudre, il semble que personne n'ait pensé à mettre en oeuvre une fluidisation de la poudre par cyclone de gaz.
  • L'invention qui vient d'être décrite présente de nombreux avantages parmi lesquels on peut citer :
    • suppression des problèmes de blocage, arches, bouchon et autres que l'on rencontre dans les systèmes d'alimentation en poudre selon l'état de l'art;
    • du fait de la circulation du gaz, fluidisation de l'injection de poudre, sans risque d'interférence avec une installation en aval, notamment un réacteur RFE que l'on souhaite alimenter en poudre;
    • simplicité de mise en oeuvre et dimensionnement d'un cyclone de gaz dans l'enveloppe d'injection;
    • faible puissance de fonctionnement nécessitée par la fluidisation avec cyclone;
    • possibilité d'utiliser une plus grande variété de matière carbonée du fait qu'on peut envisager de mettre en oeuvre la fluidisation par cyclone pour des poudres qui ne sont pas considérées habituellement comme fluidisables, notamment pour un procédé industriel aval de conversion thermochimique, en particulier pour la gazéification. En effet, les vitesses de rotation du cyclone peut être très élevées pour renforcer la dispersion de tout type de poudre qui est introduite dans l'enveloppe ;
    • possibilité d'utiliser des poudres très fines de l'ordre de la dizaine de microns car on peut aisément régler le diamètre de coupure du cyclone à créer qui est fonction de sa vitesse de rotation.
    Description détaillée
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
    • la figure 1 est une vue schématique d'une partie d'une installation de conversion thermochimique en continu d'une charge de matière carbonée selon l'état de l'art mettant en oeuvre un système d'alimentation en poudre de la charge, avant son injection dans un réacteur de gazéification de type à flux entraîné;
    • les figures 2A à 2F sont des vues schématiques en coupe de détail de différentes solutions selon l'état de l'art de fluidisation de l'écoulement par injection de gaz continue ou intermittente au travers de la paroi d'un cône ou d'une trémie d'injection de poudre d'une charge carbonée ;
    • la figure 3 est une vue schématique en perspective d'un système d'alimentation en poudre de charge carbonée selon l'invention ;
    • la figure 4 reprend en vue de coupe longitudinale le système selon la figure 3 avec les dimensions symbolisées des différents éléments ;
    • la figure 5 est une vue issue d'une simulation numérique, qui montre les trajectoires du gaz dans la périphérie extérieure du cyclone formé selon l'invention ;
    • la figure 6 est une vue issue d'une simulation numérique, qui montre les trajectoires des particules d'une poudre de biomasse, suivie à l'intérieur du cyclone formé selon l'invention.
  • Dans la description qui va suivre les termes « entrée », « sortie » « amont », « aval », sont utilisés par référence avec la direction de transfert de la charge de matière carbonée dans un système d'alimentation en poudre selon l'invention.
  • On précise que si, en figure 1, la trémie de stockage est montrée au-dessus du réacteur de gazéification avec une vis sans fin à l'horizontale, il s'agit d'une représentation schématique et qu'en pratique, la trémie repose sur le sol à côté du réacteur et la vis sans fin est agencée à oblique et véhicule la poudre de charge carbonée de bas en haut.
  • Telle qu'illustrée en figure 1, une installation en continu selon l'état de l'art met en oeuvre le procédé d'une gazéification d'une charge carbonée par alimentation de la charge sous d'une poudre par un système 1 adapté, dans un réacteur 4 de type à flux entraîné.
  • Ainsi, le réacteur de gazéification 4 à flux entraîné (RFE ou EFR, acronyme anglais de « Entrained flow reactor ») fonctionnant de préférence à des températures comprises typiquement entre 1300-1600°C et une pression comprise entre 30 et 50 bars est alimenté en continu par la charge par une dispositif de convoyage avec dosage 2.
  • Plus précisément, la charge de matière carbonée est préparée par broyage pour être mise sous la forme d'une poudre P qui est stockée dans une trémie de stockage adaptée 20.
  • L'alimentation en continu avec dosage est réalisée au moyen d'au moins une vis sans fin 21, par exemple comme décrit dans la demande de brevet WO 2005/092749 .
  • En dessous de l'extrémité de la vis sans fin 21 est agencé un cône d'injection 3 qui permet d'injecter la poudre de charge carbonée directement dans le réacteur 4 situé en dessous dudit cône 3.
  • Dans ce type d'installation 1 selon l'état de l'art, il a pu être constaté en amont du réacteur de gazéification 4, plusieurs problèmes liés à l'utilisation de la poudre pour alimenter le réacteur.
  • Tout d'abord, la poudre peut s'écouler en formant une cheminée dans la trémie de stockage 20, avec le cas échéant la formation d'arches qui vont limiter le débit de poudre en sortie de trémie 20 voire l'empêcher.
  • En outre, la poudre peut avoir tendance à se compacter dans la vis sans fin 21, ce qui peut conduire au blocage de cette dernière.
  • Enfin, l'arrivée irrégulière de la poudre sous forme de paquets et non d'écoulement constant dans le cône d'injection 3 peut amener à son bouchage, les paquets pouvant de plus présenter une certaine cohésion due au compactage dans la vis sans fin 21.
  • Les figures 2A à 2F montrent différentes variantes de dispositifs d'injection de gaz sous pression pour fluidifier la poudre qui alimente un cône 3 ou trémie d'injection.
  • Un dispositif d'injection de gaz peut donc consister en :
    • un cône 3 percé d'une pluralité de trous d'injection 30 de gaz pour former un cône poreux 5.1 (figure 2A) ;
    • un boitier d'aération 5.2 agencé dans une portion de la paroi du cône 3 (figure 2B);
    • un élément formant un pommeau d'aération 5.3, monté à l'intérieur de la paroi du cône 3 (figure 2C) ;
    • une buse d'aération 5.4, montée à l'intérieur de la paroi du cône 3 (figure 2D) ;
    • une buse d'aération 5.5 qui peut en outre vibrer, montée à l'intérieur de la paroi du cône 3 (figure 2E) ;
    • un réservoir de de décharge 5.6 monté à l'extérieur de la paroi du cône 3 et avec un tuyau d'injection 5.7 relié au réservoir qui débouche à l'intérieur du cône 3 (figure 2F).
  • Ces dispositifs d'injection de gaz présentent plusieurs inconvénients majeurs.
  • Tout d'abord, ils ne sont applicables que pour des poudres dites fluidisables, puisque au final leur fonctionnement est assez proche des techniques du lit fluidisé.
  • Avec des poudres plus cohésives, comme la plupart des poudres de biomasse la fluidisation ne se fait pas et on observe en général un phénomène dit de renardage où le gaz forme des tunnels par lesquels il peut s'échapper.
  • L'injection de gaz présente aussi les inconvénients majeurs de créer des surpressions dans le dispositif d'injection de poudre et de générer un flux gazeux qui est injecté en sus dans le réacteur thermochimique en aval, ce qui n'est pas forcément souhaitable.
  • Les dispositifs vibratoires n'apportent pas réellement des solutions plus efficaces.
  • Par conséquent, l'inventeur a pensé à générer un cyclone dans le volume d'une enveloppe d'un dispositif d'injection de poudre en réalisant une circulation gaz en son sein. La circulation du gaz est avantageusement prévue pour récupérer le gaz injecté et le réinjecter dans le volume d'enveloppe, de sorte qu'il ne s'échappe pas à travers l'orifice de sortie de la poudre en bas de l'enveloppe.
  • Ainsi, selon l'invention, comme illustré en figure 3, le système d'alimentation en poudre comprend tout d'abord un dispositif de convoyage de poudre 21 qui peut être usuel pour amener la poudre à l'intérieur d'un dispositif d'injection de poudre sous la forme d'une enveloppe 6.
  • Cette enveloppe 6 d'axe longitudinale X est constituée par un cylindre creux 60 prolongée vers le bas par un tronc de cône 61 comprenant un orifice de sortie 62 ou d'évacuation de la poudre P.
  • Le dispositif de convoyage de poudre 21 peut comprendre une vis sans fin dont la sortie débouche dans le cylindre 60 de l'enveloppe 6.
  • Un circuit de circulation de gaz 7 permet d'injecter du gaz dans la partie supérieure du cylindre 6.
  • Plus précisément, le gaz est injecté tangentiellement au cylindre 60 par un conduit d'entrée 70, circule à l'intérieur sur au moins la hauteur du cylindre 60 en formant un cyclone puis ressort par le conduit de sortie 71.
  • Le conduit de sortie 71 est formé par un cylindre creux coaxial et monté en partie à l'intérieur du cylindre 60 de l'enveloppe 6.
  • La circulation du gaz s'effectue selon une boucle puisque le circuit 7 est prévu avec un retour du gaz entre le conduit de sortie 71 et le conduit d'entrée 70. Ainsi, le gaz est réinjecté dans l'enveloppe 6.
  • Grâce à cette configuration, les particules de poudre peuvent être entraînées par le gaz en rotation selon le cyclone généré. On veille bien entendu à générer des vitesses de rotation du gaz suffisamment élevées pour entrainer les particules de poudre P.
  • A la sortie, la poudre P est évacuée sous l'effet de son propre poids par l'orifice de sortie 62.
  • La figure 4 illustre les formes et dimensions à donner aux différents composants de l'alimentation en poudre 21, de l'enveloppe et du circuit de gaz 7, pour générer correctement effectivement un cyclone.
  • A titre indicatif, un exemple de dimensionnement est donné ci-après pour les conditions suivantes :
    • la taille de particules de poudre de biomasse est comprise entre 0,2 mm et 1 mm avec une taille moyenne de 0,5 mm et une forme possible de particules qui ne soit pas sphérique ;
    • la densité des particules est de l'ordre de 700 kg/m3 ;
    • le débit de biomasse est de 50kg/h et fourni par une vis sans fin 21 ;
    • le gaz injecté et recirculant dans le circuit 7 est de l'azote.
  • On précise ici que l'inventeur a respecté les proportions géométriques données dans la publication [3], en page 28 du chapitre 17, pour les nettoyeurs de gaz.
  • Avec les symboles utilisés en figure 4, les formes et dimensions sont les suivantes :
    • diamètre extérieur D21 de la vis sans fin 21 égal à 60 mm;
    • cylindre 60 de hauteur H60 égale à 160 mm, de diamètre intérieur D61 correspondant à celui d'entrée du cône égal à 80mm;
    • cône 61 de hauteur H61 égale à 160 mm ;
    • diamètre intérieur D62 de l'orifice de sortie 62 de la poudre égal à 20 mm;
    • conduit d'entrée du gaz 70, de section rectangulaire avec une hauteur H70 égale à 40 mm et une largeur L70 égale à environ 18mm ;
    • conduit de sortie du gaz 71, sous la forme d'un cylindre de diamètre intérieur D71 égal à 40 mm emmanché coaxial et à l'intérieur du cylindre 60 sur une hauteur H71 de l'ordre de 50 mm.
  • Afin de valider la création de cyclone avec un tel dispositif, l'inventeur a procédé à une simulation numérique à l'aide du code de calculs commercialisé sous la dénomination FLUENT.
  • Pour obtenir la création du cyclone, il est nécessaire d'appliquer une différence de pression d'environ 100 Pa dans la boucle de recirculation 7 du gaz. On obtient alors un débit de gaz circulant à l'intérieur de l'enveloppe 6 de l'ordre de 3.5*10-3 m3/s. La puissance nécessaire à la génération du cyclone est donc de l'ordre de 0,35 W.
  • La vitesse de rotation du gaz en cyclone dans le cylindre creux 60 est de l'ordre de 5 m/s.
  • La figure 5 montre les trajectoires du gaz G dans la périphérie extérieure du cyclone.
  • La figure 6 montre la trajectoire des particules de poudre de biomasse P. On vérifie que les particules sont prises dans le mouvement tourbillonnant du cyclone, c'est-à-dire entraînées par le cyclone, vers le bas du cône 61. Ces particules sont alors évacuées par l'orifice de sortie 62. Aucune particule ne remonte au centre du cyclone du fait du diamètre de coupure du cyclone bien inférieur au diamètre minimum des particules injectées.
  • Pour une application de gazéification de biomasse ligno-cellulosique ou de combustibles solides de récupération (CSR), les particules de la poudre P qui peuvent alimenter le cyclone peuvent être très fines et typiquement avoir une dimension comprise entre 10 microns et 1 mm.
  • Bien que décrite en référence exclusivement à la biomasse, l'installation de conversion en un combustible ou un carburant, notamment un carburant liquide, ou un autre produit de synthèse, l'invention peut être utilisée pour la conversion d'autres charges de matière carbonée (charbon, pet coke, déchets organiques...) ou encore combustibles solides de récupération (CSR).
  • D'autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
  • L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits ; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
    • Références Citées
    • [1]: " Pneumatic convection of solids", KLINGZING, G.E., RIZK, F., MARCUS, R. & LEUNG, L.S., third édition, 2010.
    • [2]: " Pneumatic conveying design guide", MILLS, D, Elsevier, 2006.
    • [3]: Perry's Chemical Engineers' Handbook, Eighth Edition

Claims (10)

  1. Système (1) d'alimentation en poudre (P), comprenant:
    - un dispositif de convoyage (2, 21) avec dosage, adapté pour convoyer un ou des matériaux sous la forme de granulés, selon un débit moyen donné;
    - un dispositif d'injection (6) alimenté en poudre par le dispositif de convoyage, le dispositif d'injection étant sous la forme d'une enveloppe délimitée par un cylindre creux (60) prolongé par un tronc de cône (61) comprenant un orifice de sortie (62);
    - un circuit (7) de circulation de gaz (G) à l'intérieur de l'enveloppe, le circuit de gaz étant fermé sur lui-même pour réinjecter à l'intérieur de l'enveloppe le gaz récupéré en sortie de celle-ci, le circuit étant adapté pour générer un cyclone de gaz à l'intérieur de l'enveloppe au moins sur une partie de la hauteur de cylindre, de sorte que le cyclone généré entraîne les particules de poudre vers le bas de l'enveloppe afin qu'elles soient évacuées par gravité par l'orifice de sortie.
  2. Système (1) d'alimentation selon la revendication 1, le circuit de gaz comprenant un conduit d'entrée (70) du gaz débouchant selon une direction tangentielle dans la partie supérieure du cylindre de l'enveloppe.
  3. Système (1) d'alimentation selon la revendication 2, le conduit d'entrée étant de section rectangulaire.
  4. Système (1) d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, le circuit de gaz comprenant un conduit de sortie (71) du gaz débouchant sur le dessus dans l'axe du cylindre de l'enveloppe.
  5. Système (1) d'alimentation selon la revendication 4, le conduit de sortie étant un cylindre monté à l'intérieur et de manière coaxiale au cylindre de l'enveloppe.
  6. Système (1) d'alimentation selon l'une des revendications précédentes, le dispositif de convoyage avec dosage comprenant une vis sans fin (21), dont la sortie débouche dans le cylindre de l'enveloppe.
  7. Procédé de gazéification d'une charge de matière carbonée en un gaz de synthèse en vue de produire un combustible ou un carburant, notamment un carburant liquide, ou un autre produit de synthèse, comprenant les étapes suivantes :
    a/ convoyage avec dosage d'une poudre;
    b/ génération d'un cyclone de gaz au sein d'une enveloppe d'injection, de sorte à entraîner la poudre convoyée, vers le bas de l'enveloppe, le gaz générant le cyclone circulant dans un circuit de circulation fermé sur lui-même pour réinjecter à l'intérieur de l'enveloppe le gaz récupéré en sortie de celle-ci,
    c/ injection par gravité de la poudre évacuée par gravité depuis l'enveloppe, dans un réacteur de gazéification (4) de type à flux entrainé (RFE), de préférence à des températures comprises entre 1300 et 1600°C.
  8. Procédé de gazéification selon la revendication 7, le débit de gaz formant le cyclone est de l'ordre de 3,5 l/s, pour un débit de particules de poudre convoyée compris entre 0 et 50 kg/h.
  9. Procédé de gazéification selon la revendication 7 ou 8, la taille des particules de poudre convoyée étant comprise entre 10µm et 1mm.
  10. Installation de gazéification de charge matière carbonée, destinée à mettre en oeuvre en continu le procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant :
    - un système d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,
    - un réacteur de gazéification (4) de type à flux entraîné (RFE), agencé en dessous du dispositif d'injection du système d'alimentation.
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