FR2844804A1 - Procede et installation de valorisation de sous-produits a base de matieres organiques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de valorisation de sous-produits à base de matières organiques, de préférence constitués essentiellement de coproduits d'élevage tels que litières, fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration d'eaux usées, ce procédé comprenant au moins une étape de séchage des sous-produits en vue de la réalisation d'un combustible apte à être soumis à une étape de gazéification.Ce procédé est caractérisé en ce qu'on soumet le combustible séché ou sec à une étape de granulation avant gazéification dans un gazéificateur (5) du type à lit fixe à tirage inversé à l'air et à pression atmosphérique.Application : valorisation de sous-produits organiques.
Description
Procédé et installation de valorisation de sous-produits à 15 base de
matières organiques La présente invention concerne un procédé et une installation de valorisation de sous-produits à base de matières organiques, de préférence constitués essentiellement de coproduits d'élevage tels que litières,
fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration d'eaux usées, le procédé et l'installation fonctionnant à partir de sous-produits ayant de préférence été soumis à une étape de séchage 25 préalablement à une étape de gazéification.
Certaines régions géographiques sont aujourd'hui confrontées à une surabondance de coproduits d'élevage se présentant généralement sous forme d'une base végétale 30 (paille ou copeaux de bois) servant de support à une imprégnation d'origine animale (fiente). L'épandage ne suffit plus à écouler l'intégralité des stocks de sousproduits organiques. Par ailleurs, cette technique demeure polluante et parfois coteuse selon la distance. Il a donc 35 été imaginé d'utiliser de tels sous- produits en tant que combustibles dans un processus de gazéification. Un tel procédé et une installation susceptible de mettre en oeuvre ce procédé sont plus particulièrement décrits dans le brevet EP-A-1.182.248. Toutefois, même si l'idée de base 5 décrite dans ce document s'avère particulièrement intéressante, le procédé et l'installation décrits comportent plusieurs inconvénients liés notamment à l'utilisation d'un gazéificateur du type lit fluidisé et à une purification du gaz par procédé à voie sèche à haute 10 température. De ces deux caractéristiques, il en résulte l'obligation de limiter un tel procédé à une application à des installations de grande capacité, d'isoler les installations réalisées en raison des risques élevés d'explosion liés à la technologie retenue et de disposer de 15 sources d'énergie exogènes. En effet, l'installation décrite comprend un cyclone ou séparateur centrifuge rotatif, un réacteur de craquage thermo-catalytique et un échangeur. L'obtention d'une température de 9000C dans le réacteur de craquage nécessite la présence d'un moyen de 20 maintien et d'élévation de la température incompatible avec un fonctionnement autonome et de ce fait entraîne l'utilisation d'une énergie exogène. Ce traitement amène le gaz à une température supérieure à 6000C, température à laquelle le gaz est auto-inflammable avec de vives 25 déflagrations s'il est mis accidentellement au contact de
l'air. Cette solution de purification à voie sèche et à haute température, qui comporte une étape d'injection de réactifs solides minéraux dans le gaz puis de séparation des poussières et craquage thermo-catalytique des goudrons, 30 présente donc un grand nombre d'inconvénients.
Un but de la présente invention est donc de proposer un procédé et une installation de valorisation de sousproduits organiques s'appuyant sur les techniques de 35 gazéification et autorisant l'élaboration d'installations de petite capacité, de rendement élevé sans présenter de risque, en particulier en terme de sécurité pour l'environnement. Un autre but de la présente invention est de proposer un
procédé et une installation dont les conceptions permettent à l'installation de fonctionner de manière autonome sans apport d'énergie thermique extérieure et sans nuisance pour l'environnement, en particulier par rejet de matière 10 polluante.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de valorisation de sousproduits à base de matières organiques, de préférence constitués essentiellement de 15 coproduits d'élevage tels que litières, fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration d'eaux usées, ce procédé comprenant de préférence une étape de séchage des sous-produits en vue de la réalisation d'un combustible apte à être soumis à une étape de 20 gazéification, caractérisé en ce qu'on soumet le combustible séché ou sec à une étape de granulation avant gazéification dans un gazéificateur du type lit fixe à
tirage inversé à l'air et à pression atmosphérique.
La préparation des sous-produits séchés ou secs sous forme de granulés facilite le stockage de ces derniers. On obtient en effet un combustible stockable facilement en particulier sans nuisance olfactive, sans capacité de dissémination biologique et sans risque pour l'environnement, ce combustible étant facilement transportable. Par ailleurs, cette énergie sous forme solide stabilisée s'avère particulièrement aisée à stocker, ce qui n'est pas le cas lorsqu'il est nécessaire de la stocker sous forme gazeuse ou à l'inverse sous forme de 35 matières premières brutes fermentescibles. La présentation sous forme de granulés du combustible permet l'obtention de combustible parfaitement homogène. Par ailleurs, l'utilisation de granulés, en combinaison avec un gazéificateur de type à lit fixe à tirage inversé, à l'air, 5 à pression atmosphérique, permet d'obtenir, à l'intérieur du gazéificateur un lit de matière aux caractéristiques de porosité intéressantes. En effet, l'organisation des granulés présente une porosité très homogène. Une combinaison avec le gazéificateur du type précité permet un 10 fonctionnement, y compris un chargement en continu, ce qui
permet de produire, comme l'illustrera la description ciaprès, 24 heures sur 24 de l'électricité sans arrêt
technique nécessité par les rechargements en combustible.
L'invention a encore pour objet une installation de valorisation de sousproduits à base de matières organiques, de préférence constitués essentiellement de coproduits d'élevage tels que litières, fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration 20 d'eaux usées, cette installation comportant au moins une unité de séchage par soufflage d'air chaud des sousproduits et une unité de gazéification des sous-produits séchés servant de combustible, caractérisée en ce qu'elle comporte, entre l'unité de séchage et l'unité de 25 gazéification du type équipée d'un gazéificateur à lit fixe à tirage inversé à l'air et à pression atmosphérique, des
moyens de granulation des sous-produits.
L'installation permettant la mise en oeuvre du procédé 30 précité offre les avantages de ce dernier. Elle permet en
effet de concevoir des installations de petite capacité dans lesquelles le combustible peut être aisément stocké.
L'installation peut fonctionner en continu 24 heures sur 24
sans danger pour l'environnement.
L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en
référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente, de manière schématique, sous forme d'un organigramme, les différentes étapes du procédé de valorisation des sous-produits objet de l'invention et la figure 2 représente, de manière schématique sous forme de bloc, les différents éléments constitutifs
d'une installation.
Comme mentionné ci-dessus, le procédé et l'installation, 15 objet de l'invention, s'appliquent à la valorisation de
sous-produits à base de matières organiques. Ces sousproduits sont généralement constitués essentiellement de coproduits d'élevage tels que litières, fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration 20 d'eaux usées.
Préalablement à toute étape de traitement de ces sousproduits, ces sousproduits 1 sont généralement soumis à une étape de séchage. L'étape de séchage s'effectue de 25 préférence par soufflage d'air chaud notamment à
l'intérieur d'un sécheur 2 du type lit fixe convectif à couche épaisse. L'alimentation en air chaud de ce sécheur 2 sera décrite plus particulièrement ci-après. Les sousproduits ainsi séchés sont ensuite soumis, de manière 30 caractéristique à l'invention, à une étape de granulation.
Cette étape de granulation peut s'effectuer au moyen d'une presse 3 à granuler du type à axe vertical, à filière plate statique et à galets de pressage tournants. Cette technologie est adaptée à des matières premières 1 35 fibreuses à brins longs et à faible densité. Les granulés présentent typiquement une humidité de 15 % sur brut, mais de bons résultats sont obtenus avec une humidité comprise entre 10 et 25 %. Dans une configuration préférée, la litière constitue environ 75 % en masse du produit. Les 5 dimensions optimales de tels granulés sont comprises pour le diamètre entre 10 et 25 mm et pour la longueur entre 25 et 40 mm. La densité apparente est comprise entre 450 et 750 kg/m3, de préférence voisine de 600 kg/m3. Cette forme granulaire s'avère particulièrement intéressante pour la 10 réalisation du lit de combustible du fait de la technologie de gazéification retenue. En effet, une fois l'étape de granulation effectuée, le combustible est stocké dans un silo 4 mais il pourrait également être directement introduit dans le gazéificateur 5. Ce gazéificateur 5 est 15 du type à lit fixe à tirage inversé, à l'air et à pression atmosphérique. Dans ce type de gazéificateur, la cuve est monobloc. Son diamètre étagé est réduit vers le bas pour tenir compte de la perte de volume du solide. Ce gazéificateur 5 fonctionne à l'air et à pression 20 atmosphérique. Le courant gazeux est co-courant avec le
solide sans préjudice de sa vitesse relative puisqu'un rapport de vitesse entre les deux phases est égal au rapport des débits volumiques, soit de l'ordre de 1/1000 environ. Le temps de présence du gaz est de l'ordre de la 25 dizaine de secondes, celui du combustible de 3 à 5 heures.
L'air a deux provenances: l'une inéluctable par le sommet du gazogène en accompagnement du combustible et l'autre à partir de tuyères d'injection au coeur de la zone d'oxydation. Il s'agit en fait d'un réacteur mixte co30 courant et courants croisés. Le gaz se déplace de haut et bas dans différentes zones stratifiées dont chacune est le siège d'un type de réaction: première zone: traversée du lit de combustible, zone 35 chimiquement inerte avec une montée très lente en température. Le combustible devient anhydre et l'air
comburant s'humidifie.
deuxième zone: une zone de pyrolyse dont la chaleur est 5 entretenue par la proximité avec la suivante. Le combustible se décompose thermiquement et désorbe un gaz endogène. troisième zone: une zone d'oxydation la plus chaude avec 10 un point d'ignition. Il se génère un gaz formé par l'air comburant, la vapeur d'eau, le gaz endogène désorbé et le gaz résultant de l'oxydation partielle du carbone. Il se
forme également du coke.
quatrième zone: une zone de réduction du gaz sur le coke
avec refroidissement du gaz par réaction endothermique.
cinquième zone: une zone de séparation du gaz combustible brut ou gaz de synthèse et des cendres. 20 Le gaz combustible brut sort vers le bas à une température comprise entre 500 et 6500C. Il y a une correspondance spatiale entre la zone de réduction et la plus forte concentration en carbone pur. L'eau sous forme liquide, 25 initialement présente dans le combustible, se vaporise en amont au contact de la zone pré-pyrolyse. En phase gazeuse, elle participe ensuite pleinement à la réaction en se décomposant thermiquement. La plupart des goudrons et des jus pyroligneux sont craqués dans la zone d'ignition 30 puisqu'ils sont désorbés en amont de cette zone. Ce gazéificateur 5 à lit fixe présente l'avantage de produire un gaz transportant peu de cendres volantes en raison de la faible vitesse du gaz. Par contre, la capacité d'un tel système est limitée en raison de la faculté de maintenir la 35 stabilité géométrique du lit sur une grande section frontale et d'injecter à coeur l'air comburant au-delà d'un
diamètre critique.
Le gaz combustible brut est chargé en poussières et en 5 substances chimiques susceptibles de se transformer en polluants. Pour corriger cela, l'étape de gazéification est suivie globalement d'une pluralité d'opérations de purification du gaz. Ainsi, le gaz issu de l'étape de gazéification est soumis à une étape de refroidissement sur 10 condenseur 6, en particulier sur un échangeur à tubes, de préférence à film tombant refroidis par fluide caloporteur, tel que de l'huile. Le gaz est ensuite soumis à une étape de lavage sur colonnes 7, 8 d'absorption. Le gaz sortant du gazéificateur 5 est à une température comprise entre 500 et 15 6500C. Il est humide et sa composition est relativement
stable. Il présente cependant un risque potentiel en étant violemment inflammable à ce niveau de température au simple contact de l'air. Il est donc impératif de refroidir immédiatement ce gaz, ce qui lui enlèvera tout caractère de 20 danger.
La présente invention privilégie un traitement du gaz par voie humide et à température ambiante. L'étape de refroidissement, qui s'opère sur un échangeur à tubes, 25 permet notamment de séparer du gaz les goudrons. Cet échangeur tubulaire est constitué d'une pluralité de tubes verticaux dans lesquels circulent le gaz de bas en haut. Un film tombant, formé par une circulation d'huile circulant à contre-courant, empêche l'encrassement des tubes, piège les 30 poussières et les goudrons et les récolte. Le soutirage cyclique d'huile permet de maintenir sa qualité en la
déconcentrant par apport de fluide neuf.
Au cours de l'étape de refroidissement, on récupère la 35 chaleur véhiculée par le fluide caloporteur en vue de chauffer l'air servant à l'étape de séchage de sousproduits organiques. La puissance récupérée est insuffisante pour sécher l'ensemble des sous-produits organiques mais participe, avec les autres sources 5 récupérées sur le moteur 11, à la puissance thermique totale requise. Le gaz lavé est ensuite soumis à une étape de filtration fine parallèlement à une épuration des effluents liquides. L'installation de filtration peut ainsi être constituée d'un lit de sable ou de sciures et/ou d'un 10 filtre papier parallèlement à des moyens de traitement, en
particulier des moyens d'épuration, des effluents liquides.
L'installation de filtration peut ainsi être constituée en premier étage d'un lit de matériaux particulaires tels que du sable de faible granulométrie ou de la sciure. Ce lit 15 est installé dans un corps de filtre 9. Dans une
configuration préférée, un second étage terminant la purification est formé par un filtre 10 portant des dièdres ou des bobines en papier ou autre média à haute efficacité.
On amène ensuite le gaz épuré à un moteur il à combustion interne couplé à un générateur électrogène en vue de la production combinée d'électricité et de chaleur et/ou à un brleur en vue de la production uniquement de chaleur. Il est possible de récupérer la chaleur issue du circuit d'eau 25 de refroidissement du bloc moteur et du circuit d'huile et/ou obtenue par canalisation de gaz d'échappement du moteur ll vers un mélangeur aéraulique afin de chauffer l'air servant à l'étape de séchage des sous-produits. Tous ces circuits de récupération de chaleur débouchent dans un 30 préparateur 14 d'air chaud. Cet air chaud, après passage à
travers le sécheur 2 et l'épurateur 15 est évacué dans l'atmosphère. Il en résulte la possibilité d'une installation fonctionnant en autonomie d'énergie thermique.
Dans le cas de l'utilisation d'un moteur, le moteur ll 35 couplé à un alternateur 12 permet de produire en co-
génération de l'électricité et de la chaleur. L'électricité produite dans ces conditions est dite en co-génération de chaleur. Cette électricité sert à l'alimentation d'un réseau 13 général. Dans le cas d'une utilisation d'un 5 moteur, ce moteur permet de convertir l'énergie chimique du gaz en une énergie motrice. Associé à un alternateur 12, cette énergie motrice est transformée en énergie électrique. Le rendement global est bon puisqu'il peut atteindre plus de 40 % avec du gaz naturel. Le moteur il 10 est en fait un moteur à allumage commandé fonctionnant normalement au gaz naturel et adapté pour fonctionner avec du gaz de synthèse dit gaz pauvre. La vitesse de rotation est généralement de l'ordre de 750 à 1 500 tour/minute. La régulation du moteur 11 et son inertie mécanique permettent 15 d'amortir les amplitudes de variation du gaz de synthèse et de délivrer une puissance constante à une vitesse stabilisée. Il est à noter que le moteur aurait pu, de
manière équivalente, être remplacé par une turbine à gaz.
L'installation, qui permet la mise en oeuvre d'un tel
procédé, comporte donc une unité de refroidissement constituée d'au moins un échangeur tubulaire à film tombant refroidi au moyen d'un fluide caloporteur, cette unité de refroidissement étant suivie d'une unité de lavage 25 comportant au moins une colonne 7, 8 d'absorption, ellemême suivie d'une unité 9, 10 de filtration, à partir de laquelle le gaz épuré est amené au moteur il ou au brleur.
Cette installation comporte, en aval de l'unité de filtration, un ventilateur. L'installation est une 30 installation parfaitement autonome en terme d'énergie
thermique du fait qu'elle comporte, au niveau de l'unité de refroidissement et/ou du moteur 11, des moyens de collecte de la chaleur, cette chaleur servant au chauffage de l'air alimentant l'unité de séchage constituée de préférence par 35 un sécheur 2 à lit fixe convectif en couche épaisse.
Par ailleurs comme l'illustrent les schémas, l'ensemble des produits issus du processus sont traités. Les produits résiduels sont ainsi constitués essentiellement de cendres 5 composées de minéraux extraits en sortie du gazéificateur 5. Les effluents gazeux, résultant en particulier du processus de déshumidification, sont traités avant rejet dans l'atmosphère. Il en est de même, des effluents liquides. Le gaz d'échappement du moteur 11 est utilisé 10 pour le séchage de l'air. Le stockage des granulés quant à eux n'inclut aucune nuisance sur l'environnement. Il en résulte qu'un tel procédé et une telle installation
respectent parfaitement l'environnement.
Claims (12)
1. Procédé de valorisation de sous-produits à base de matières organiques, de préférence constitués essentiellement de coproduits d'élevage tels que litières, fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration d'eaux usées, ce procédé comprenant de préférence une étape de séchage des sous-produits en vue de la réalisation d'un combustible apte à être soumis à une 10 étape de gazéification, caractérisé en ce qu'on soumet le combustible séché ou sec à une étape de granulation avant gazéification dans un gazéificateur (5) du type lit fixe à tirage inversé à l'air
et à pression atmosphérique.
2. Procédé de valorisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz issu de l'étape de gazéification est soumis à une étape de refroidissement sur échangeur à tubes, de préférence à film tombant, refroidis 20 par fluide caloporteur puis à au moins une étape de lavage
sur colonnes (7, 8) d'absorption.
3. Procédé de valorisation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on récupère la chaleur véhiculée par 25 le fluide caloporteur en vue de chauffer l'air servant à
l'étape de séchage des sous-produits organiques.
4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3,
caractérisé en ce qu'on soumet le gaz lavé à une étape de 30 filtration sur lit de sable ou de sciures et/ou sur filtre papier parallèlement à un traitement des effluents liquides.
5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4,
caractérisé en ce qu'on amène le gaz épuré à un moteur (11) à combustion interne couplé à un générateur électrogène en vue de la production combinée d'électricité. et de chaleur
et/ou à un brleur en vue de la production de chaleur.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on récupère la chaleur issue du circuit d'eau de refroidissement du bloc moteur et du circuit d'huile et/ou obtenue par canalisation de gaz d'échappement du moteur (11) vers un mélangeur aéraulique 10 en vue du chauffage de l'air servant à l'étape de séchage
des sous-produits.
7. Installation de valorisation de sous-produits à base de matières organiques, de préférence constitués essentiellement de coproduits d'élevage tels que litières, fumiers, lisiers et de boues, telles que celles issues de stations d'épuration d'eaux usées, cette installation comportant au moins une unité de séchage par soufflage d'air chaud des sous-produits et une unité de gazéification 20 des sous-produits séchés servant de combustible,
caractérisée en ce qu'elle comporte, entre l'unité de séchage et l'unité de gazéification du type équipée d'un gazéificateur (5) à lit fixe à tirage inversé à l'air et à pression atmosphérique, des moyens de granulation des sous25 produits.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens de granulation sont constitués d'une presse (3) à granuler du type à axe 30 vertical, à filière plate statique et à galets de pressage tournants.
9. Installation selon l'une des revendications 7 et 8,
caractérisée en ce que le gazéificateur (5) est couplé en 35 sortie à une unité de refroidissement constituée d'au moins un échangeur tubulaire à film tombant refroidi au moyen d'un fluide caloporteur, cette unité de refroidissement étant suivie d'une unité de lavage comportant au moins une
colonne (7, 8) d'absorption.
10. Installation selon la revendication 9,
caractérisée en ce que l'unité de lavage est suivie d'une unité (9, 10) de filtration, à partir de laquelle le gaz épuré est amené à un moteur (11) à combustion interne 10 couplé à un générateur électrogène et/ou à un brleur.
11. Installation selon l'une des revendications 9 et 10,
caractérisée en ce qu'elle comporte, au niveau de l'unité de refroidissement et/ou du moteur (11), des moyens de 15 collecte de la chaleur, cette chaleur servant au chauffage de l'air alimentant l'unité de séchage constituée de préférence par un sécheur (2) à lit fixe convectif en
couche épaisse.
12. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comporte en aval de l'unité de
filtration, un ventilateur.
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