FR3127951A1 - Système de conversion thermochimique d’une charge carbonée comprenant un réacteur batch et un réservoir d’attente contenant un fluide supercritique relié à la chambre réactionnelle du réacteur batch. - Google Patents

Système de conversion thermochimique d’une charge carbonée comprenant un réacteur batch et un réservoir d’attente contenant un fluide supercritique relié à la chambre réactionnelle du réacteur batch. Download PDF

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Abstract

Système de conversion thermochimique d’une charge carbonée comprenant un réacteur batch et un réservoir d’attente contenant un fluide supercritique relié à la chambre réactionnelle du réacteur batch. L’invention consiste essentiellement en un système de conversion thermochimique avec un réacteur batch qui contient initialement uniquement la charge carbonée à convertir et qui est alimenté directement en fluide supercritique depuis un réservoir d’attente pour la conversion. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Système de conversion thermochimique d’une charge carbonée comprenant un réacteur batch et un réservoir d’attente contenant un fluide supercritique relié à la chambre réactionnelle du réacteur batch.
La présente invention concerne le domaine de la conversion thermochimique d’une charge carbonée, et plus particulièrement le traitement hydrothermal sous fluide supercritique.
La présente invention vise à diminuer notamment le temps de montée en température d’un cycle.
Par « fluide supercritique », on entend ici et dans le cadre de l’invention, le sens usuel, à savoir une pression et une température au-delà desquelles le fluide se trouve dans un état supercritique. Son comportement devient intermédiaire entre l'état liquide et l'état gazeux: sa masse volumique est celle d'un liquide, mais sa faible viscosité s'apparente à celle d'un gaz.
Typiquement, le dioxyde de carbone a son point critique se situe à 31,1°C et 7,38 MPa.
Ainsi, par « eau supercritique », il est entendu le sens usuel, c’est-à-dire de l'eau à des températures supérieures à 374°C sous une pression supérieure à 22,1 MPa.
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 lignocellulosique, des résidus forestiers ou agricoles (paille), qui peut être quasi-sec ou imbibé d'eau comme les déchets ménagers.
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 ou des pneumatiques. Il peut s’agir en particulier d’un matériau PCR (acronyme anglais pour « Post-Consumer Recycled » ou Recyclé Post-Consommation).
II peut aussi s'agir d'une combinaison de biomasse et de combustible d'origine fossile.
Par « réacteur batch », on entend ici et dans le cadre de l’invention, un réacteur de mise en œuvre d’une conversion thermochimique, qui fonctionne en cycles.
Bien que décrite en référence à la gazéification hydrothermale en eau supercritique, l’invention s’applique à tout procédé de conversion thermochimique en batch qui nécessite l’utilisation d’un bain en fluide supercritique.
Bon nombre de procédés existants permettent de convertir par voie thermochimique une charge carbonée en combustibles liquides (biocarburants, biochar), solides (granulés), et gazeux (biogaz, méthane, syngaz, hydrogène).
Parmi ceux-ci, 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 gazéifiant. 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 lignocellulosique permettent de générer un gaz de synthèse qui permet de produire en aval soit des carburants liquides soit d’autres produits organiques.
La gazéification hydrothermale est une voie prometteuse pour traiter et convertir des biomasses humides en un gaz renouvelable. Un procédé avantageux de gazéification hydrothermale pour la biomasse humide est réalisé en eau supercritique : [1]. Les principaux gaz produits sont un mélange de gaz combustible constitué d’hydrogène (H2), de méthane (CH4), de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2).
Le procédé peut être réalisé en continu ou en « batch »n c’est-à-dire selon un cycle fermé. le procédé se fait généralement dans un autoclave contenant un bain d’eau en état supercritique : [1].
Pour une réalisation en « batch », ce qui est généralement réalisé dans un cadre expérimental, i.e. en laboratoire, la mise en œuvre habituelle pour une gazéification hydrothermale de la biomasse se fait dans un autoclave contenant un bain d’eau en état supercritique : [1].
L’autoclave fonctionne à température et pression élevées, communément respectivement entre 374°C et 700°C et entre 21,5MPa et 40 Mpa, avec un taux de charge en matière sèche de l’ordre de 15% en masse par rapport à la quantité d’eau nécessaire au traitement.
En outre, sur le plan expérimental, le temps de cette montée en température est relativement important, de l’ordre de plusieurs dizaines de minutes en général.
Lors de cette montée en température, l’eau et le matériau à traiter vont subir des conditions de température et de pression variables avant d’atteindre les conditions expérimentales désirées, stabilisées en pression et températures.
De cette manière, on ne peut donc pas connaitre précisément le temps de réaction nécessaire et la composition des produits de la décomposition hydrothermale pour des conditions de température et de pression données.
Par conséquent, il existe un besoin pour améliorer encore les procédés batch et systèmes afférents, de conversion thermochimique d’une charge carbonée sous fluide supercritique, et plus particulièrement le traitement hydrothermal de biomasse, notamment afin de pallier les inconvénients précités.
Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un Système de conversion thermochimique d’une charge carbonée comprenant :
- un réacteur dit réacteur batch, comprenant une chambre réactionnelle (20), destinée à contenir un mélange de fluide supercritique et d’une quantité de charge carbonée à convertir et/ou des produits issus de la conversion thermochimique ;
- un réservoir dit réservoir d’attente, destiné à contenir le fluide supercritique;
- une première ligne fluidique reliant entre elles le réservoir d’attente et la chambre réactionnelle du réacteur batch, la première ligne fluidique comprenant une première vanne;
- une deuxième ligne fluidique débouchant sur la chambre réactionnelle, la deuxième ligne fluidique comprenant une deuxième vanne;
le système étant configuré pour successivement:
(a) fermer les première et deuxième vannes et ajuster les conditions supercritiques de température et de pression du fluide contenu dans le réservoir d’attente;
(b) introduire la quantité de charge carbonée dans la chambre réactionnelle et maintenir les première et deuxième vannes fermées;
(c) ouvrir la première vanne pour remplir la chambre réactionnelle en fluide supercritique et jusqu’à obtenir un équilibre des pressions entre la chambre réactionnelle et le réservoir d’attente;
(d) fermer la première vanne pendant une durée prédéterminée permettant la conversion thermochimique dans la chambre réactionnelle de la quantité de la charge carbonée mélangée avec le fluide supercritique alimenté depuis le réservoir d’attente;
(e) ouvrir la deuxième vanne de sorte à évacuer et récupérer par la deuxième ligne fluidique la totalité des gaz présents dans la chambre réactionnelle.
Avantageusement, le volume du réservoir d’attente est supérieur à celui de la chambre réactionnelle du réacteur batch, de préférence au moins 5 fois supérieur, de préférence encore 10 fois supérieur.
Avantageusement encore, la chambre du réacteur batch et le réservoir d’attente sont isolés thermiquement de l’extérieur. Cela permet qu’aucun échange de chaleur ne soit réalisé avec les fluides contenus.
Selon un mode de réalisation avantageux, le réacteur batch comprend des parois chauffantes entourant la chambre réactionnelle et au moins une sonde de température adaptée pour relever au moins une température de la chambre réactionnelle, et un dispositif de régulation thermique pour régler le chauffage des parois chauffantes en fonction de la température relevée par les thermocouples.
De préférence, la(les) sonde(s) de température est(sont) un(des) thermocouples.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, la chambre réactionnelle est délimitée par des parois de refroidissement comprenant un circuit de fluide de refroidissement alimentée en fluide de refroidissement depuis l’extérieur du réacteur batch.
Selon une variante de réalisation avantageuse, les parois de refroidissement comprennent deux feuilles métalliques soudées entre elles dont au moins l’une d’entre elles comprenant des reliefs délimitant des canaux du circuit de refroidissement.
Avantageusement, les parois de refroidissement sont revêtues d’un revêtement liner adapté pour protéger contre la corrosion les parois chauffantes. Le revêtement liner peut par exemple être constitué d’une paroi métallique de faible épaisseur.
De préférence, les parois chauffantes entourent directement les parois de refroidissement.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, la chambre réactionnelle loge au moins un support à la fois de la charge carbonée et de récupération des produits solides issus de la conversion thermochimique.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, la chambre réactionnelle loge un dispositif de répartition de flux pour répartir le flux du fluide supercritique sur la section horizontale de la chambre réactionnelle.
Avantageusement, le support constitue le dispositif de répartition de flux.
De préférence, le support et/ou le dispositif de répartition de flux consiste(nt) en une grille et/ou un substrat poreux, agencée horizontalement dans la chambre réactionnelle.
Selon une variante avantageuse, un écran thermique est monté coulissant longitudinalement dans la chambre réactionnelle.
L’invention a encore pour objet un procédé de gazéification hydrothermale d’une charge carbonée, mis en œuvre par un système tel que décrit précédemment ou une utilisation d’un système tel que décrit précédemment pour réaliser une gazéification hydrothermale d’une charge carbonée.Selon une caractéristique avantageuse, le fluide supercritique et le cas échéant le fluide du circuit de refroidissement est de l’eau.
Le procédé peut consister avantageusement en une gazéification hydrothermale de cellulose (C6H10O5).
Autrement dit, l’invention consiste essentiellement en un système de conversion thermochimique avec un réacteur batch qui contient initialement uniquement la charge carbonée à convertir et qui est alimenté directement en fluide supercritique depuis un réservoir d’attente pour la conversion.
Les avantages de l’invention sont nombreux parmi lesquels on peut citer :
  • une montée en température de la charge carbonée beaucoup plus rapide que selon l’état de l’art. En effet, dans le système selon l’invention, la charge carbonée parvient à la température de la réaction thermochimique, juste le temps de transvasement du fluide supercritique depuis le réservoir d’attente dans le réacteur batch qui contient déjà la charge carbonée à convertir. Dans un réacteur batch selon l’état de l’art, la charge carbonée et le fluide sont portés ensemble à la température de fonctionnement du réacteur, ce qui implique que la charge séjourne un temps non négligeable à des températures intermédiaires, ce qui n’est pas souhaitable ;
  • un temps de cycle bien moindre comparé aux procédés batch selon l’état de l’art. En effet, le temps de cycle d’un système selon l’invention est essentiellement celui nécessaire à la réaction hydrothermale qui est bien moindre que le temps de montée en température d’un réacteur batch selon l’état de l’art, nécessaire à chaque cycle.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.
la est un synoptique montrant un système de conversion thermochimique selon l’invention.
la est une vue en coupe longitudinale d’un exemple de réacteur mis en œuvre dans un système selon l’invention.
la est une vue en coupe longitudinale d’un autre exemple de réacteur mis en œuvre dans un système selon l’invention.

Claims (16)

  1. Système (1) de conversion thermochimique d’une charge carbonée comprenant :
    - un réacteur (2) dit réacteur batch, comprenant une chambre réactionnelle (20), destinée à contenir un mélange de fluide supercritique et d’une quantité de charge carbonée à convertir et/ou des produits issus de la conversion thermochimique ;
    - un réservoir (3) dit d’attente, destiné à contenir le fluide supercritique;
    - une première ligne fluidique (4) reliant entre elles le réservoir d’attente et la chambre réactionnelle du réacteur batch, la première ligne fluidique comprenant une première vanne (40);
    - une deuxième ligne fluidique (5) débouchant sur la chambre réactionnelle, la deuxième ligne fluidique comprenant une deuxième vanne (50);
    le système étant configuré pour successivement:
    (a) fermer les première et deuxième vannes et ajuster les conditions supercritiques de température et de pression du fluide contenu dans le réservoir d’attente;
    (b) introduire la quantité de charge carbonée dans la chambre réactionnelle et maintenir les première et deuxième vannes fermées;
    (c) ouvrir la première vanne pour remplir la chambre réactionnelle en fluide supercritique et jusqu’à obtenir un équilibre des pressions entre la chambre réactionnelle et le réservoir d’attente;
    (d) fermer la première vanne pendant une durée prédéterminée permettant la conversion thermochimique dans la chambre réactionnelle de la quantité de la charge carbonée mélangée avec le fluide supercritique alimenté depuis le réservoir d’attente;
    (e) ouvrir la deuxième vanne de sorte à évacuer et récupérer par la deuxième ligne fluidique la totalité des gaz présents dans la chambre réactionnelle.
  2. Système selon la revendication 1, le volume du réservoir d’attente étant supérieur à celui de la chambre réactionnelle du réacteur batch, de préférence au moins 5 fois supérieur, de préférence encore 10 fois supérieur.
  3. Système selon la revendication 1 ou 2, la chambre réactionnelle du réacteur batch et le réservoir d’attente étant isolés thermiquement de l’extérieur.
  4. Système selon l’une des revendications précédentes, le réacteur batch comprenant des parois chauffantes (22) entourant la chambre réactionnelle et au moins une sonde de température adaptée pour relever au moins une température de la chambre réactionnelle, et un dispositif de régulation thermique pour régler le chauffage des parois chauffantes en fonction de la température relevée par les thermocouples.
  5. Système selon la revendication 4, la(les) sonde(s) de température étant un(des) thermocouples.
  6. Système selon l’une des revendications précédentes, la chambre réactionnelle étant délimitée par des parois de refroidissement (21) comprenant un circuit de fluide de refroidissement alimenté en fluide de refroidissement depuis l’extérieur du réacteur batch.
  7. Système selon la revendication 6, les parois de refroidissement comprenant deux feuilles métalliques soudées entre elles dont au moins l’une d’entre elles comprenant des reliefs délimitant des canaux du circuit de refroidissement.
  8. Système selon la revendication 6 ou 7, les parois de refroidissement (21) étant revêtues d’un revêtement liner (210) adapté pour protéger contre la corrosion les parois chauffantes.
  9. Système selon la revendication 4 ou 5 en combinaison avec l’une des revendications 6 à 8, les parois chauffantes entourant directement les parois de refroidissement.
  10. Système selon l’une des revendications précédentes, la chambre réactionnelle logeant au moins un support (29) à la fois de la charge carbonée et de récupération des produits solides issus de la conversion thermochimique.
  11. Système selon l’une des revendications précédentes, la chambre réactionnelle logeant un dispositif de répartition de flux (29) pour répartir le flux du fluide supercritique sur la section horizontale de la chambre réactionnelle.
  12. Système selon la revendication 10 en combinaison avec la revendication 11, le support constituant le dispositif de répartition de flux.
  13. Système selon l’une des revendications 9 à 12, le support et/ou le dispositif de répartition de flux consistant en une grille (29) et/ou un substrat poreux, agencée horizontalement dans la chambre réactionnelle.
  14. Système selon l’une des revendications précédentes, un écran thermique (200) étant monté coulissant longitudinalement dans la chambre réactionnelle (20).
  15. Utilisation d’un système selon l’une quelconque des revendications précédentes pour réaliser une gazéification hydrothermale d’une charge carbonée.
  16. Utilisation selon la revendication 15, le fluide supercritique et le cas échéant le fluide du circuit de refroidissement étant de l’eau.
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