WO1996015089A1 - Procede et appareil de production de methanol par gazeification de matieres carbonees - Google Patents

Abstract

L'appareil de gazéification (20) comporte un espace inférieur (21), réservé à la combustion spontanée sous l'action d'air très chaud d'une fraction de la matière carbonée, un espace intermédiaire (22), réservé à la combinaison du dioxyde de carbone produit dans l'espace (21) à de la vapeur surchauffée à très haute température, et un espace supérieur (23), réservé à la synthèse, en présence de vapeur d'eau surchauffée, du gaz sortant de l'espace intermédiaire (22), à la sortie duquel le méthanol ainsi produit est collecté puis canalisé vers un échangeur (30), fournissant l'appareil de gazéification (20) en air très chaud et en vapeur surchauffée.

Description

Procédé et appareil de production de methanol par gazéifica¬ tion de matières carbonées.

L'invention concerne un procédé et un appareil de production de methanol par gazéification de matières carbonées.

Il est connu de transformer des matières carbonées en gaz de synthèse constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone, en recourant à la gazéification des matières carbonées dans un ré¬ acteur approprié, pour obtenir CO + 2H₂ = CH₃OH.

Les matières carbonées les plus couramment utilisées sont des matières solides d'origine végétale, allant de la tourbe aux dé¬ chets de bois, en passant par le charbon de bois, avec utilisa¬ tion d'adjuvants de réaction, tels que des générateurs de laitier, et d'agents de gazéification comme l'oxygène et l'hydrogène in¬ dustriels.

On sait, en utilisant, par exemple, le procédé décrit dans le bre¬ vet allemand DE-A-3 137 755, gazéifier des matières carbo¬ nées dans un réacteur à bain de fer, pour obtenir un gaz de syn¬ thèse constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone, mais, en raison du rapport molaire défavorable de l'hydrogène par rapport au monoxyde de carbone, le methanol ainsi obtenu n'est pas stable et ne peut, par conséquent, être utilisé ensuite industriellement. Il a été tenté de remédier à cette situation en soumettant un gaz sans soufre, obtenu dans un réacteur à bain de fer par gazéifi¬ cation de matières carbonées, en particulier du charbon, à un enrichissement en hydrogène supplémentaire, de façon à obte- nir un gaz de synthèse, offrant un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour une mole de monoxyde carboné, exempt de gaz carbonique.

Un procédé et un appareil visant ce but sont décrits dans la de- mande de brevet français 2 552 443. Dans un réacteur à bain de fer, on gazéifie une matière carbonée, notamment du charbon, en présence de fondants et d'oxygène. Dans un récipient de re¬ froidissement, le gaz est enrichi en hydrogène provenant d'une cellule d'électrolyse, à température élevée, de vapeur d'eau. Le mélange du gaz obtenu et de l'hydrogène permet d'obtenir, ain¬ si, un gaz de synthèse, contenant deux moies d'hydrogène pour une mole de CO.

Toutefois, un tel appareil, compte-tenu du procédé qu'il met en oeuvre, ne permet pas d'atteindre une température suffisante pour obtenir la transformation complète des molécules d'eau contenues dans la vapeur, en vue de la dissociation complète de l'hydrogène et de l'oxygène ; aussi, a-t'on recours à l'όlec- trolyse de la vapeur d'eau, dont le niveau de surchauffe ne per- met que de réduire la consommation d'électricité nécessaire à l'électrolyse, sans jamais pouvoir se substituer à elle. Il résulte de cela que le rendement de l'installation est médiocre, compte-tenu, tout particulièrement, de l'apport d'énergie élec- trique indispensable et de la détérioration rapide des élec¬ trodes et que le methanol obtenu n'est pas commercialement compétitif avec celui proposé actuellement sur le marché. De plus, l'obligation de relier les appareils au réseau électrique est une contrainte susceptible de limiter l'implantation de ceux-ci.

La présente invention a pour but de remédier à ces inconvé¬ nients. Cette invention, telle qu'elle se caractérise, résout le problème consistant à définir un procédé et un dispositif, avec lesquels, d'une part, du methanol pur et stable puisse être obte¬ nu avec un rendement maximum se traduisant par un prix de re¬ vient compétitif, et, d'autre part, des déchets puissent être utili¬ sés comme matière première, sans qu'il soit nécessaire d'adap¬ ter l'appareil à chaque cas ; ceci, sans recourir à d'autre source d'énergie que celle contenue à l'état latent dans les déchets en question.

Le procédé selon l'invention, selon lequel la synthèse du me¬ thanol est obtenue à partir d'un gaz présentant un rapport mo- iaire de deux moles d'hydrogène pour une mole de monoxyde de carbone, obtenu par gazéification d'une matière carbonée, se caractérise, principalement, en ce que l'élaboration du me¬ thanol s'effectue en respectant les trois étapes suivantes :

a) de l'air chauffé à environ 700° C est soufflé sur une matière carbonée intermédiaire, qui s'enflamme spontanément selon une réaction exothermique produisant du monoxyde de car¬ bone (CO) à haute température, b) le monoxyde de carbone à haute température, produit à l'étape initiale (a), traverse un catalyseur au nickel, dans lequel il est mélangé à de la vapeur d'eau surchauffée à très haute température (supérieure à 500°C), ce qui permet d'obtenir, à la sortie du dit catalyseur, un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène (C0₂ + H₂) à haute température : la transforma¬ tion étant exothermique,

c) le mélange gazeux, obtenu à l'étape précédente (b), est diri¬

10 gé vers la matière carbonée à gazéifier, qui s'enflamme sponta¬ nément vers 350°C, en présence de vapeur d'eau surchauffée à très haute température, afin d'obtenir, selon une réaction endo- thermique, un gaz de synthèse constitué de monoxyde de car- . bone (CO) et d'hydrogène (H₂), selon un rapport molaire de

15 deux moles d'hydrogène pour une mole de monoxyde de car¬ bone.

L'air chaud et la vapeur d'eau, utilisés lors des étapes du procé- ₂₀ dé selon l'invention, sont obtenus par transfert de l'énergie ca¬ lorifique contenue dans les gaz produits aux étapes (a) et (b), ou par préchauffage à l'aide d'une source d'énergie extérieure, lors de la mise en route de l'appareil.

_-. Selon un mode d'application particulier du procédé selon l'in- __o vention à la gazéification de bois contenant une proportion as¬ sez importante d'eau, le séchage préalable du bois s'obtient par combustion d'aluminium dans de la vapeur d'eau surchauf- fée (2AI + 3H₂0), qui donne Al₂0₃ + 3H₂ selon une réaction très exothermique.

La vapeur d'eau dégagée du bois est récupérée et utilisée dans la réaction précédente (Al + H₂0).

L'appareil permettant l'application du procédé selon l'invention se caractérise, principalement, en ce qu'il est réalisé en deux étages, délimitant, pour le premier, deux espaces superposés réservés respectivement aux transformations correspondant aux étapes (a) et (b) du procédé, et, pour le second, l'étape (c) du dit procédé.

Selon un mode de réalisation préférentiel de l'appareil selon l'invention, l'enceinte délimitant le second étage de celui-ci est disposée dans le flux de gaz chaud sortant du premier étage, produit à l'étape (b) dans l'espace supérieur de celui-ci.

Selon un mode de réalisation particulier de l'appareil selon l'in¬ vention, destiné à la gazéification du bois, le dispositif de des¬ siccation du bois, par combustion d'aluminium dans de la va¬ peur d'eau, fait partie intégrante de l'appareil de gazéification.

Préférentiellement, ce dispositif est réalisé en deux comparti¬ ments superposés, séparés par une cloison ondulée supportant le bois ; la combustion de l'aluminium dans la vapeur d'eau s'ef- fectuant dans le compartiment inférieur ; l'ensemble consti- tuant un dispositif de dessiccation desservi par deux transpor¬ teurs à bande, assurant, l'un l'alimentation en bois, et l'autre le déversement du bois séché dans une trémie, à partir de laquelle le bois ainsi desséché est acheminé vers le premier et vers le second étage de l'appareil de gazéification ; la vapeur d'eau, li¬ bérée à la partie supérieure du compartiment supérieur du dis¬ positif de dessiccation, est récupérée pour être injectée dans la réaction Al + H₂0, entretenue dans le compartiment inférieur.

Les avantages obtenus, grâce à cette invention, consistent es¬ sentiellement en ceci que, tant les énergies produites lors des réactions exothermiques du procédé que la vapeur d'eau libé¬ rée lors de la phase de dessiccation des matières carbonées, sont réutilisées dans le procédé, afin d'optimiser le rendement de l'appareil de gazéification, dans le but d'obtenir du methanol de grande qualité à un prix compétitif.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, destiné à la gazéification de déchets de bois, donné à titre d'exemple non limitatif au regard des dessins an¬ nexés sur lesquels :

- la figure 1 donne une représentation synoptique de l'ensemble de l'installation, incluant l'appareil de gazéification et le dispo¬ sitif de dessiccation, - la figure 2 représente une vue d'ensemble schématique du système de préchauffage externe.

Les figures représentent une installation de transformation de déchets de bois en methanol, comportant un dispositif de des¬ siccation 10 constitué de deux compartiments 11 , 12 superpo¬ sés, séparés par une cloison 13 supportant les déchets de bois amenés par une trémie 14 et évacués par une trémie 17, avec collecte d'hydrogène par un collecteur 15 et de vapeur par un collecteur 16 ; la trémie d'évacuation 17 dessert, par l'intermé¬ diaire de bandes transporteuses 18 et 19, le premier et le se¬ cond étages d'un appareil de gazéification 20 comportant, pour le premier étage, un espace 21, réservé à la combustion spon¬ tanée d'une matière carbonée sous l'action d'air très chaud (étape a), et un espace 22, réservé à la combinaison, en pré¬ sence d'un catalyseur au nickel, du dioxyde de carbone produit dans l'espace 21 à de ia vapeur d'eau surchauffée (étape b), et, pour le second étage, un espace 23, réservé à la synthèse du gaz sortant de l'espace intermédiaire 22 en présence de vapeur d'eau surchauffée (étape c) ; lequel espace 23 communiquant avec un collecteur de gaz chaud 24, relié, par une tuyauterie 25, à un échangeur 30 comportant deux enceintes 31, 33 mises en communication par des tubes échangeurs 39 traversant une en¬ ceinte intermédiaire 32 assurant la transformation d'eau en va- peur surchauffée, diffusée par des tuyauteries 38 vers les es¬ paces 22 et 23 de l'appareil de gazéification ; les enceintes 31 et 33 étant parcourues par un réseau de tubes 35 de réchauf¬ fage de l'air, dont les extrémités sont reliées, respectivement, à une soufflante 34 et à l'espace inférieur 21 de l'appareil de ga¬ zéification 20 ; l'enceinte inférieure 31 de l'échangeur 30 étant reliée à des séparateurs (non représentés) par l'intermédiaire d'un collecteur 37.

La figure 2 représente le dispositif auxiliaire 40 permettant la mise en route de l'installation, lequel dispositif 40 comporte un brûleur 46 alimenté par une bouteille de gaz 47 ; les gaz déga¬ gés par la combustion étant évacués par une cheminée 43 , dans laquelle est déployée une conduite d'air 45 raccordée au refoulement d'un ventilateur 41 ; la cheminée 43 étant entourée par une enveloppe 42, dont la base est alimentée en eau par un réservoir 48, et dont la partie supérieure est reliée à une conduite 44, alimentant, en vapeur d'eau surchauffée, les es- paces 21 , 22 et 23 de l'appareil de gazéification 20.

En examinant maintenant plus en détail la figure 1 , on remarque que la matière carbonée humide à gazéifier est, tout d'abord, introduite dans le dispositif de dessiccation 10 par l'intermé- diaire de la trémie 14, puis acheminée sur la cloison 13 vers la trémie d'évacuation 17, après avoir perdu de la vapeur d'eau qui est récupérée par le collecteur 16 pour être réinjectée dans le compartiment inférieur 11 où se produit la combustion d'alu¬ minium en présence de vapeur d'eau surchauffée.

La matière carbonée ainsi disséquée est introduite par des transporteurs à bande ou à vis vers les espaces inférieur 21 et supérieur 23 de l'appareil de gazéification 20, dans lesquels s'effectue, simultanément, la combustion spontanée par ad¬ mission d'air chauffé à 700 ou 800°C d'une partie de la matière disséquée, afin d'obtenir la réaction exothermique aboutissant à la production de monoxyde de carbone à très haute tempéra- ture (1000°C environ) correspondant à l'étape (a) du procédé.

Ce monoxyde de carbone (CO) traverse, ensuite, l'espace 22 contenant un catalyseur au nickel, pour y être mélangé à de la vapeur d'eau surchauffée provenant de l'échangeur 30, ce qui 0 permet d'obtenir un mélange de dioxyde de carbone et d'hydro¬ gène (C0₂ + H₂) à haute température, correspondant à l'étape

(b), qui est dirigé, à travers une grille, vers l'espace supérieur 23, dans lequel de la matière carbonée desséchée est intro¬ duite comme cela a déjà été mentionné ci-dessus ; laquelle ma* 5 tière s'enflamme spontanément en présence de vapeur sur¬ chauffée provenant de l'échangeur 30 par la tuyauterie 38, afin d'obtenir un gaz de synthèse constitué de monoxyde de car¬ bone (CO) et d'hydrogène (H₂), sous une température d'envi- _Q ron 1 000°C, selon une réaction endothermique correspondant à l'étape (c).

On remarque que le gaz de synthèse ainsi produit à haute tem¬ pérature (environ 1 000°C) est dirigé vers l'échangeur 30, afin ₅ de transférer, à l'air soufflé dans le réseau de tubes 35, par la soufflante 34, l'énergie thermique nécessaire à l'élévation de la température de celui-ci à 700 ou 800°C, avant son introduction dans l'espace inférieur 21 de l'appareil de gazéification 20, afin d'obtenir l'inflammation spontanée de la fraction de matière carbonée sèche admise dans ce même espace inférieur 21 par le transporteur 18 en provenance de la trémie d'évacuation 17 de la matière sèche sortant du dispositif de dessiccation 10.

On remarque aussi que, avant de gagner le collecteur de sortie 37 communicant avec l'enceinte inférieure 31 de l'échangeur 30, le gaz de synthèse produit est passé à travers l'enceinte in¬ termédiaire 32, contenant de l'eau, en passant par des tubes échangeurs 39, afin d'obtenir la transformation de cette eau en vapeur surchauffée à une température atteignant au moins 500°C, en vue d'obtenir la dissociation des molécules d'eau en hydrogène et en oxygène naissant ; cette vapeur est, comme cela a déjà été dit, injectée dans l'espace intermédiaire 22 contenant le catalyseur au nickel, afin d'obtenir un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène à haute température, ainsi que dans l'espace supérieur 23, où l'autre fraction de la matière carbonée sèche provenant de la trémie d'évacuation 17 du dis¬ positif de dessiccation 10 est introduite en continu par les bandes transporteuses 19.

On comprend que, lors de la mise en route de l'installation, il soit nécessaire de recourir à une installation auxiliaire 40, sus¬ ceptible de produire, pendant un temps suffisant à l'obtention, au niveau de l'échangeur 30, des températures d'air et de va¬ peur capables d'amorcer le processus, puis de l'entretenir, de l'air à 700°C et de la vapeur à au moins 500°C. Il a été choisi, comme exemple, la gazéification de déchets de bois, mais rien ne s'opposerait , bien évidemment, à ce que, par ce procédé et ces moyens, d'autres matières carbonées, tels que les déchets ménagers par exemple, soient gazéifiées, sous réserve de quelques adaptations mineures, évidentes pour l'homme de l'art.

Claims

Revendications

1. Procédé de production de methanol par gazéification de ma¬ tières carbonées, selon lequel la synthèse du methanol est ob¬ tenue à partir d'un gaz présentant un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour une mole de monoxyde de carbone, ca- ractérise en ce que l'élaboration du gaz de synthèse correspon¬ dant s'effectue en respectant les étapes suivantes :

a) de l'air chauffé à environ 700°C est soufflé sur de la matière carbonée, qui s'enflamme spontanément selon un réaction exo- thermique aboutissant à la production de monoxyde de carbone (CO) à haute température,

b) le monoxyde de carbone (CO), produit à haute température à l'étape initiale (a), traverse un catalyseur au nickel, dans lequel il est mélangé à de la vapeur d'eau surchauffée à une tempéra¬ ture supérieure à 500°C ; ce qui permet d'obtenir, à la sortie du dit catalyseur, un mélange de dioxyde de carbone et d'hydro¬ gène (C0₂ + H ₂) à haute température : la transformation cor¬ respondante est exothermique,

c) le mélange gazeux, obtenu à l'étape précédente (b), est diri¬ gé vers la matière carbonée à gazéifier, qui s'enflamme sponta¬ nément vers 350°C en présence de vapeur d'eau surchauffée à très haute température (supérieure à 500°C), afin d'obtenir, se¬ lon une réaction endothermique, un gaz de synthèse constitué de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H₂), selon un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour une mole de monoxyde de carbone.

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'air chaud et la vapeur d'eau, utilisés lors des étapes du procédé, sont obtenus par transfert de l'énergie calorifique contenue dans les gaz produits aux étapes (a) et (b), ou par préchauffage à l'aide d'une source d'énergie extérieure, lors de la mise en route de l'appareil.

3. Application du procédé selon les revendications 1 et 2 ci-des¬ sus, à la gazéification de matières carbonées contenant une proportion d'eau, caractérisée en ce que le séchage de la ma¬ tière, préalablement à son utilisation dans le processus de ga¬ zéification, s'obtient en utilisant la chaleur produite par la com¬ bustion exothermique d'aluminium dans de la vapeur d'eau sur¬ chauffée.

4. Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que la vapeur d'eau dégagée de la matière est récupérée et utilisée dans la combustion de l'aluminium.

5. Appareil permettant l'application du procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux étages, délimitant, pour le premier, deux espaces (21 ) et (22) superposés, réservés respectivement aux étapes (a) et (b) du procédé, et, pour le second, un espace (23) réservé à l'étape (c) dudit procédé.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'en- ceinte délimitant le second étage de celui-ci est disposée dans le flux des gaz chauds sortant du premier étage, produit à l'étape (b) dans l'espace supérieur (22) de celui-ci.

7. Appareil permettant l'application du procédé selon les reven- dications 1 et 2, à la gazéification de matières carbonées conte¬ nant une proportion d'eau selon les revendications 3 et 4, ca¬ ractérisé en ce que le séchage de la matière, en utilisant la cha¬ leur produite par la combustion exothermique d'aluminium dans de la vapeur d'eau, s'obtient par l'intermédiaire d'un dispositif de dessiccation (10) comportant deux compartiments (11 , 12) superposés, séparés par une cloison (13) supportant la matière à sécher ; la combustion de l'aluminium s'effectuant dans le compartiment inférieur (11 ).

8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de dessiccation (10) est desservi par deux bandes transporteuses (18, 19) assurant, respectivement, l'alimenta¬ tion en matières à sécher et l'évacuation de la matière séchée vers une trémie ( 17) à partir de laquelle la matière est achemi- née vers le premier et vers le second étage de l'appareil de ga¬ zéification (20).

9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la va- peur d'eau, libérée à la partie supérieure du compartiment su¬ périeur (12) du dispositif de dessiccation, est récupérée pour être injectée dans le compartiment inférieur (11 ).

10. Appareil selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le dispositif de dessiccation (10) du bois, par combus¬ tion d'aluminium dans de la vapeur d'eau, fait partie intégrante de l'appareil de gazéification (20).