WO2009004239A2 - Procede et systeme de traitement d'effluents gazeux pour produire independamment h2 et co - Google Patents

Procede et systeme de traitement d'effluents gazeux pour produire independamment h2 et co Download PDF

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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a method for treating gaseous effluents. It also relates to a system implementing the method according to the invention.
  • the field of the invention is the field of the treatment of gaseous effluents. More particularly, the invention relates to the production of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) molecules in constant, independent, concomitant and controlled fluxes, from a fuel containing carbon elements, in particular plant biomass, and gaseous effluents.
  • CO carbon monoxide
  • H 2 hydrogen
  • the invention can be applied in a large majority of industrial field.
  • An object of the invention is to provide a method and a system for producing H 2 and CO to overcome the disadvantages of the systems of the state of the art.
  • Another object of the invention is to provide a method and a system for producing H 2 and CO separately.
  • Another object of the invention is to provide a method and system for producing H 2 and CO to control the amount of H 2 produced independently of the amount of CO produced.
  • the invention thus proposes a method of treating a first gaseous effluent essentially comprising carbon dioxide (CO 2 ) and a second gaseous effluent comprising essentially water vapor (H 2 O), said process comprising the following steps: - generation of a first gaseous stream comprising carbon monoxide (CO) by passing said first gaseous effluent through a first layer of oxidation-reducing reactive material comprising carbon elements at high temperature, - generating a second gaseous stream essentially comprising dihydrogen (H 2 ) by passing said second gaseous effluent through a second reactive material redox layer comprising elements of carbon at high temperature, and - upgrading at least one of the first and second gas stream.
  • CO carbon monoxide
  • H 2 dihydrogen
  • the process according to the invention makes it possible to separately produce hydrogen and carbon monoxide. Thanks to the process according to the invention, the proportions of hydrogen produced and carbon monoxide produced can be controlled separately. In addition, carbon monoxide and hydrogen are not mixed and make up two separate gas streams that are separately recoverable. In the continuation of the request we will use the chemical formulas to facilitate the reading.
  • the process according to the invention comprises, during the passage of the first gaseous effluent containing essentially CO 2 , through the first layer containing carbon elements at high temperature: a reduction of the CO 2 molecules in the presence of the carbon elements at high temperature. This reduction produces carbon monoxide (CO) molecules; and
  • the first gas stream obtained from the first gaseous effluent essentially comprises CO molecules.
  • this first gas flow should contain only molecules of CO.
  • the process according to the invention may comprise a heat exchange of at least one of the first and second gaseous flows with a heat transfer stream, this gaseous flow yielding at least a portion of its thermal energy to the heat transfer stream.
  • the first and second gaseous streams can yield at least a portion of their heat energy to the heat transfer stream.
  • the heat transfer stream may comprise water.
  • the heat transfer stream may be water in the gaseous or liquid state. The thermal exchange of water with the first and the second gas stream then produces a third gas stream comprising high temperature water vapor.
  • At least a portion of the water vapor contained in the second gaseous effluent may come from the third gaseous stream containing essentially water vapor.
  • part of the second gaseous effluent can come from a facility producing a gaseous effluent containing water vapor.
  • Part of the third gas stream may be mixed with the gaseous effluent from this plant to obtain the second gaseous effluent.
  • the process may be started with a second gaseous effluent containing produced water by another device, system or installation requiring or not an energy supply.
  • the third gas stream may be the second gaseous effluent so that the second gaseous effluent is completely produced by the process according to the invention, and the process according to the invention is then self-sufficient in thermal energy to produce the second gaseous effluent.
  • second gaseous effluent second gaseous effluent.
  • the method according to the invention further comprises, during the passage of the second gaseous effluent, essentially containing water vapor (H 2 O), through the second layer containing carbon elements at high temperature:
  • the method according to the invention may further comprise a step of separating the CO 2 contained in the second gas stream, to provide a fourth gas stream essentially comprising CO 2 and a fifth gas stream containing essentially hydrogen H 2 .
  • the fourth gas stream containing essentially CO 2 may be mixed with the first gaseous effluent.
  • a portion of the first gaseous effluent can come from a facility producing a gaseous effluent containing CO 2 .
  • Part of the fourth gas stream may be mixed with the gaseous effluent from this plant to obtain the first gaseous effluent.
  • the process can be started with a first gaseous effluent containing CO 2 produced by another device, system or installation requiring or not an energy supply.
  • the fourth gas stream may be the first gaseous effluent so that the first gaseous effluent is completely produced by the process according to the invention, and the process according to the invention is self-sufficient to generate the first gaseous effluent. .
  • the first oxidoreductive layer is produced by combustion, in the presence of an oxidant, of a fuel composed of carbon elements under sub-stoichiometric conditions.
  • This solid fuel may comprise plant biomass.
  • plant biomass advantageously meets the criterion of solid fuel composed of carbon.
  • plant biomass participates in the natural carbon cycle as follows.
  • the carbon involved in the atomic composition of plant biomass comes from the essentially photosynthetic conversion of atmospheric carbon dioxide. It is therefore considered that the CO 2 resulting from the combustion of plant biomass has a neutral effect on the problem of greenhouse gases, unlike that resulting from the combustion of fossil fuels.
  • plant biomass is a source of renewable energy.
  • the CO 2 and hydrocarbon molecules are part of the eco-life cycle, the industry generates these molecules to excess thereby creating a deep imbalance that pollutes the ecosystem. These elements can be recycled directly by the process permanently, so they will no longer participate in greenhouse gases (GHG).
  • a high-performance densification concentrates the carbon of the plant material up to 85% of the mass (instead of 50% of the source material) and the product of the technique can advantageously be of cylindrical shape, to favor the gravitational flows in the system. .
  • roasting and / or densification improve the overall exploitation of the system, in particular by maintaining the quality of the solid fuel during storage.
  • Plant biomass is available practically everywhere and in a profusion, its densification can be carried out on the site itself. its exploitation, as on the site of the manufacturer who installs the system implementing the method according to the invention.
  • the combustion of the solid fuel can be carried out under oxidant O 2 .
  • This oxidant can be injected in a targeted way in the heart of the first layer.
  • At least a portion of the second oxidoreductive layer is produced by transfer or recovery of at least a portion of the high temperature carbon elements of the first layer.
  • the first layer may be at a higher location than the first layer.
  • the first layer may be inclined towards the second layer so that at least a portion of the high temperature carbon elements of the first layer gravitational flow from the first layer to the second layer.
  • the temperature of the first layer is greater than or equal to 1000 ° C. and the temperature of the second layer is between 800 and 1000 ° C.
  • the temperatures of the first and second layers can be regulated by injection an oxidant, for example I 1 O 2 .
  • the method according to the invention may comprise a separation of the CO 2 and H 2 molecules present in the second gas stream, this separation providing a fifth gas stream essentially comprising H 2 .
  • CO 2 is recyclable in CO by the first layer, it can be temporarily stored, liquid and / or gaseous to participate in the regulation and safety of the installation. It can also be marketed in liquid form to industrial operators. The deoxidation of this CO 2 in 2 CO also allows a withdrawal of CO, which can be compensated by a supplement of CO 2 of industrial origin, itself then removed greenhouse gases the time of a new life cycle or definitely in case of substitution of a fossil energy.
  • the process according to the invention may comprise a synthesis of hydrocarbon compounds from H 2 and CO in means such as catalysts.
  • the process according to the invention makes it possible to separately obtain three gaseous streams containing CO, H 2 and CO 2 which can be put in buffer tanks, to be used, in any desired dosage, in any existing hydrocarbon formulations and forthcoming, in the eco-industrial space of chemistry and petrochemistry, as well as the environment and depollution.
  • the invention relates to the production of fuels and liquid and gaseous fuels for synthesis, for a substitution of petroleum products and natural gas by these fuels of vegetable and renewable origin.
  • fuels and liquid and gaseous fuels for synthesis for a substitution of petroleum products and natural gas by these fuels of vegetable and renewable origin.
  • the purified gases can advantageously be heated by the reaction gases before they are cooled to the purification temperature.
  • the thermal cycle thus defined is complete, with no losses other than those inherent to the losses of all thermal equipment and systems.
  • the energy capacity of the hydrocarbon compounds, before the catalytic synthesis is the maximum of the energy potential of the fuel used in the system according to the invention that can be obtained.
  • the new source of synthesized energy is recovered:
  • the synthetic biogas is conditioned to be stored and / or used as it is,
  • hydrocarbon compounds for the production of substitute energy or of synthetic molecules, are conditioned to be stored in the state and / or used.
  • the process according to the invention carries out a purification of at least one of the first and second gaseous effluents by combustion of combustible particles present in the first gaseous effluent and / or in the second gaseous effluent during the passage of these gaseous effluents. through the first layer and / or the second layer.
  • the system according to the invention comprises an enclosure comprising: a first reactor comprising a first gate supporting a first reactive material redox layer comprising high temperature carbon elements, the first layer being crossed by the first layer; gaseous effluent providing a first gas stream comprising CO, and
  • a second reactor comprising a second gate supporting a second reactive material redox layer comprising high temperature carbon elements, the second layer being traversed by the second gaseous effluent providing a second gas stream comprising H 2 .
  • the system according to the invention further comprises means of upgrading at least one of the first and second gas streams.
  • the system according to the invention may comprise a communication opening by which the first and second reactors communicate with each other so that at least a portion of the high temperature carbon elements of the first layer pass from the first reactor to the second reactor. reactor through the communication aperture to form at least a portion of the second layer.
  • first grid supporting the first layer is located at a location higher than the second grid supporting the second layer.
  • the first gate is substantially inclined toward the second gate, the lower end of the first gate being at the communication aperture so that at least a portion of the high temperature carbon elements of the first layer flows from the first reactor to the second reactor to form the second layer.
  • the first zone is located above the grid and comprises an opening for introducing the gaseous effluent into the reactor and the second zone is located below said grid and comprises an opening for extracting the gas flow. Furthermore these grids can be cooled with a heat transfer fluid, which may be water, flowing or projected in these grids.
  • the first reactor may comprise an opening for introducing, on the first gate, a fuel comprising carbon elements, the first layer being produced by combustion, in the presence of an oxidant, of the fuel under sub-conditions. stoichiometric. This fuel is preferably plant biomass.
  • Each of the first and second reactors may further comprise means for injecting an oxidant into the reactor and more particularly to the core for the first layer of oxidation-reducing reactive material.
  • This oxidant is firstly used to carry out the combustion, under substoichiometric conditions, of the fuel introduced into the first reactor and consequently of that which gravitates through the introduction opening into the second reactor and, on the other hand, on the other hand, to regulate the temperature of the two layers of oxidation-reducing reactive materials.
  • the system according to the invention may further comprise means for recovering residues from each of the first and second reactors. These residues can be evacuated from each of the reactors through a discharge opening located in the bottom of the reactor and opening to at least one ashtray provided to accommodate the residues.
  • the system according to the invention may further comprise at least one heat exchanger performing a heat exchange of at least one of said first and second streams with a heat transfer fluid.
  • This coolant can be water.
  • the heat exchanger then provides a third gas stream essentially comprising high temperature water vapor.
  • the system according to the invention may further comprise a feed circuit for at least a portion of the third gas stream in the second reactor or in the second gaseous effluent.
  • the system according to the invention may comprise means for separating the different gaseous compounds from the second gas stream, comprising H 2 and CO 2 obtained by oxidation-reduction of the water vapor in the presence of carbon elements. high temperature. These separation means can provide a fourth gas stream essentially comprising CO 2 and a fifth gas stream essentially comprising H 2 .
  • At least a portion of the fourth gas stream can be fed into the first reactor or mixed in the first gaseous effluent by a feed circuit.
  • system according to the invention may comprise means for synthesizing hydrocarbon compounds from H 2 , CO but also CO 2 obtained during the process according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the system according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of an enclosure according to the invention comprising the first and the second reactor.
  • FIG 1 is a schematic representation of the system according to the invention.
  • the system according to the invention comprises a chamber E comprising a first reactor 10 comprising a first reactive material redox layer comprising high temperature carbon elements and a second reactor 20 comprising a second reactive material oxidation reduction layer comprising carbon elements with high temperature.
  • This reaction chamber E comprising the two reactors 10 and 20, is shown in Figure 2 and detailed below.
  • the reactor 10 in the enclosure E receives biomass B to feed the reactions occurring in the reactors 10 and 20 and more particularly for producing the oxidoreductive layers in the reactors 10 and 20.
  • the biomass B is preferably plant biomass whose calorific value has been optimized.
  • the biomass B introduced into the first reactor 10 undergoes oxyfuel combustion under sub-stoichiometric conditions in the presence of an oxidant which is 10 2 .
  • the oxygen is injected directly into the reactor 10 and possibly into the reactor 20, firstly to carry out the combustion of the biomass B and, secondly, to regulate the temperatures of the reactive material layers in the reactors 10 and 20.
  • Oxygen can be industrial oxygen
  • the reactor 10 receives a first gaseous effluent 11 essentially comprising carbon dioxide CO 2 .
  • This gaseous effluent 11 can come, at least in part, from an external installation.
  • the gaseous effluent 11 is produced by recycling the different gaseous flows produced by the system according to the invention at different stages of the process according to the invention.
  • the layer of reactive material in the reactor 10 composed of carbonaceous solid fuel in substoichiometric oxycombustion, the CO 2 present in the first gaseous effluent 11 and that resulting from the combustion of the biomass are reduced to carbon monoxide.
  • CO according to the reaction defined by Boudouard:
  • the conversion is integral when the reaction temperature is equal to or greater than 1000 ° C.
  • the CO is an industrial gas, it is the active form of the carbon entering into the synthesis catalysts.
  • the CO obtained can participate in the synthesis of exploitable carbons in hydrocarbon molecules and generators of industrial products.
  • the CO 2 life cycle present in the first gaseous effluent 11 and coming from the combustion of biomass B under oxidant O 2 , is thus prolonged and replaces its fossil carbon equivalent, which would have contributed to greenhouse gases. .
  • the reactor 10 outputs a first gas stream 12 essentially comprising CO.
  • the reactor 20 receives a second gaseous effluent 21 essentially comprising water vapor at high temperature H 2 O.
  • This second gaseous effluent 21 may come, at least in part, from an external installation.
  • the second gaseous effluent 21 is produced by energy recovery of the different gaseous flows produced by the system according to the invention at different stages of the process according to the invention.
  • the water vapor H 2 O found in the second gaseous effluent 21 is at a very high temperature, acquired by cooling the outgoing gases of the two reactors.
  • the temperature of the water vapor, which passes through the dedicated reactor of the reactor vessel 1, must be between 700 and 1000 0 C to be the conditions required for the deoxidation reaction.
  • the H 2 O molecule By passing through the layer of reactive material, in the reactor 20, comprising carbon elements at high temperature, greater than or equal to 1000 ° C., the H 2 O molecule will lose its oxygen atom in favor of a carbon atom. and / or a molecule of CO (carbon monoxide) according to the formula: C + H 2 O -> CO + H 2 , then
  • the reactor 20 outputs a second gas stream 22 essentially comprising H 2 dihydrogen and carbon dioxide CO 2 .
  • the first gas stream 12 produced by the reactor 10 passes through a water / gas exchanger E1.
  • the first gas stream 12 comprising carbon monoxide CO will transfer its excess heat to a heat transfer fluid which, in the example represented in Figure 1 is liquid water H 2 O L.
  • This heat transfer fluid is at the temperature and pressure of the distribution network or a dedicated reserve.
  • the first gas stream 12 will evaporate the water and provide a third gas stream 13 comprising essentially high temperature water vapor.
  • the cooling of the first gas stream 12 is defined by the carbon monoxide storage set CO, located in the first gas stream 12, in a tank 14 and / or the instructions for use of this CO. This temperature may be close to the temperature of the liquid water H 2 O L entering the exchanger E1.
  • the superheated steam constituting the third gas stream 13 leaving the exchanger E1 is channeled to the reactor 20 for be deoxidized as described above.
  • the heat capacity of the first gas stream 12 is thus completely recycled and contributes to the overall efficiency of the process according to the invention.
  • the third gas stream partly comprises the second gaseous effluent 21.
  • the second gas stream 22 produced by the reactor 20 goes into an exchanger E2 similar to the exchanger E1, that is to say a water / gas heat exchanger, in which the second gas stream 22, essentially comprising H 2 and CO 2 according to the approximate and respective proportions of 2 / 3-1 / 3, will transfer its excess heat to a coolant which, in the example shown in Figure 1, is also liquid water H 2 O L .
  • This heat transfer fluid is at the temperature and pressure of the distribution network or a dedicated reserve.
  • the second gas stream 22 will evaporate the liquid water H 2 O L -
  • a gas stream 23 essentially comprising superheated steam which is mixed with the third gas stream 13 to be returned to the reactor 20 to be deoxidized.
  • the cooling of the second gaseous flow 22 is defined by the instruction for use and / or storage of the second flow gaseous 22, and / or the appropriate temperature for the best performance of a gas separator 24 realizing the separation of hydrogen H 2 and carbon dioxide CO 2 , which temperature may be close to the temperature of the liquid water entering the water. exchanger E2.
  • the recovery and recycling of the thermal capacities of the first and second gas streams 12 and 22 contribute to the overall efficiency of the system according to the invention and in particular to the transfer of the energy of solid biomass to molecules of "gas energy" H 2 and CO.
  • the separator 24 carries out the separation of H 2 and CO 2 .
  • a fourth gas flow 25 essentially comprising carbon dioxide CO 2 and a fifth gas stream 26 essentially comprising hydrogen H 2
  • the fifth gas stream 26 essentially comprising H 2 can be used as it is at the implantation site of the system according to the invention, for a hydrocarbon synthesis for example, and / or molecular hydrogenation, and or the production of electricity, in a fuel cell for example, and / or any industrial process using this gas. It can also be conditioned and / or liquefied on site to be stored in a tank 27 before further operation.
  • At least a portion of the fourth gas stream substantially comprising CO 2 is intended to be reintroduced into the reactor to be recycled and reduced to CO, as described above. At least a portion of the fourth gas stream 25 thus composes the first gaseous effluent 11. In doing so, the reaction cycle is closed.
  • the ratio of the energy available, by the synthesis gases, that is to say the first and the second gas stream, the energy potential of the solid fuel is maximum.
  • Part of the fourth gaseous flow essentially comprising CO 2 can be liquefied so as to be stored, waiting to be used, in a tank 28 and / or to be stored as a buffer in the gaseous state, in order to regulate its operation.
  • the molecules H 2 and CO can thus be produced separately, in the quantities required by use, at equal or different temperatures.
  • the first and second gas streams may be operated without molecular separation after cooling in the heat exchangers E1 and E2.
  • the transfer of the heating value of the solid fuel to the calorific value of the synthesis gas, H 2 and CO, is maximal. Only thermal losses, depending on the insulation used in enclosure E and peripherals, are deduced from the rate. It will then be the characteristics and qualities of the equipment, which exploits these gaseous flows 12 and 22, which will define the overall efficiency of the energy conversion.
  • the solid residues R of each of the reactors 10 and 20 are recovered and discharged from the reactors 10 and 20.
  • H 2 is operated as is at the site of implantation of the system, for a hydrocarbon synthesis for example, or molecular hydrogenation, or any industrial process using this gas, it will be necessary to implement a chemical separator or membrane 25 which will allow the separate management of H 2 and CO 2 .
  • a chemical separator or membrane 25 which will allow the separate management of H 2 and CO 2 .
  • H 2 is intended to be stored in the tank 27, in part or in whole, the current methods are cryogenics systems. Given the temperature / liquefaction pressure of H 2 , the CO 2 will be naturally liquefied during the procedure, the separation is effective.
  • the system according to the invention also comprises at least one catalytic module defined according to the choice of HC hydrocarbon molecules to be produced from the H 2 and CO obtained.
  • This catalyst module may comprise catalysts, synthesizers, reformers, or any other known system or device commonly used by the chemical and petrochemical industry.
  • the invention makes it possible to produce H 2 and CO separately and in the desired quantity.
  • the supply of the catalysis and reforming system is thus made as a function of the molecule to be obtained, the synthesis of all liquid and gaseous HC hydrocarbons is possible, it is the choice of the synthesis module 30 which is decisive.
  • all types of gaseous and liquid synthesis systems can be associated with the production of both H 2 and CO molecules. These systems can coexist to be powered simultaneously.
  • the synthesis can be plural and produce at the same time, gas and liquid fuel, as well as automotive fuel, with a maximum conversion efficiency, based on the energy initially held by the biomass and / or the reactive solid fuel.
  • the invention presents here two independent, concomitant and simultaneous reactions in a common enclosure E comprising two reactors 10 and 20 communicating with differentiated actions.
  • a common enclosure E comprising two reactors 10 and 20 communicating with differentiated actions.
  • the enclosure E comprises the first CO 2 reduction reactor 10 present in the first gaseous effluent 11 and the H 2 O reduction reactor 20 present in the second gaseous effluent 21.
  • the first reactor 10 comprises a first layer of reactive material 101 supported by a first gate 102.
  • the gate 102 is permeable to the reaction gases and can be cooled or not.
  • the layer of reactive material can also be called "first thermal base”. It consists of solid fuel oxycombustion, preferably plant biomass B, introduced on the grid by an introduction opening 103 in the form of chute.
  • Biomass B can be the size of wood chips or chips / shreds of the wood industry, it can be shreds and / or sawdust and / or all vegetable matter agglomerated into pellets, briquettes, sticks, etc. It can also be silvicultural and / or agricultural biomass in the anhydrous or roasted or densified state with high carbon concentration and calibrated in cylindrical form.
  • this solid fuel may be coal, peat, lignite, etc.
  • the biomass B present on the gate 102 is in oxyfuel combustion.
  • This oxycombustion is made possible by injection of an oxidant, preferably I 1 O 2 injected into the heart of the thermal base 101 by at least one injector 104. It is the injection of I 1 O 2 which allows the organization of specific layers in the thickness of the first thermal base 101.
  • the injection of O 2 is defined to oxidize the portion (stratum) central of the first thermal base in order to generate the thermal energy necessary for all the reactions occurring at the level of the first thermal base.
  • the upper part of the thermal base is defined by the continuous supply of fuel B, this zone is endothermic.
  • the lower part, in direct contact with the grid 102, is defined by the Boudouard reaction, it is controlled in temperature and in molecular compositions (CO 2 / CO ratio). Its regulation is done by controlling the O 2 injected flow rate, the control of absence of CO 2 (most of the gaseous flow is composed of CO) and the supply of fuel.
  • the reactor 20 comprises a layer of reactive material 201 comprising carbon elements at high temperature.
  • This layer 201 can also be called second thermal base. It is supported by a second gate 202 which can be cooled or not.
  • the regulation of the temperature of the thermal base 201 can be provided by injecting oxidant O 2 by at least one injector 204 disposed just above the thermal base 201.
  • the two reactors 10 and 20 are separated by a wall 203 having a communication opening C through which the reactors 10 and 20 are in communication.
  • the first gate 102 supporting the first thermal base 101 is substantially inclined towards the second gate 202 supporting the second thermal base 201.
  • the end of the gate 102 closest to the gate 202 is disposed at the communication opening C.
  • the inclination of the grid 102 and the controlled oxycombustion render the central stratum of the first thermal base 101 unstable, the ignition materials gravitate downwards.
  • the high temperature solid carbon particles, from the thermal base 101, flow by gravity on the gate 202 through the opening C to form the second thermal base 201.
  • the gate 202 of the reactor 20 receives the flame of solid fuel from the thermal base 101 of the reactor 10 which have flowed by gravity through the opening C.
  • the reactor 10 further comprises an inlet opening 105 of the first gaseous effluent 11, comprising the CO 2 to be reduced in its upper part.
  • the first gaseous effluent comes at least in part from the recycling of the fourth gas stream.
  • the CO 2 present in the first gaseous effluent 11 is added to the CO 2 of the oxycombustion of the solid fuel stratum.
  • At least a portion of the CO 2 present in the first effluent can also come from an industrial plant external to the system according to the invention. Thus, the life cycle of the carbon it contains may be prolonged, and its contribution to the greenhouse effect removed.
  • the CO resulting from the reduction of CO 2 at the passage of the first thermal base can be reduced in a specific catalyst where it will react according to the reaction demonstrated by the physicist Boudouard: 2CO, in the presence of Nickel, exchange an atom of O in favor of a CO.
  • This reaction is exothermic 172 kJ / mol and is at equilibrium around 400 0 C, this exotherm can be recycled in the process, ie 2CO - »C + CO 2 + 172 kJ / mol.
  • industrial CO 2 which would otherwise contribute to the greenhouse effect, it is possible to lengthen the life cycle of carbon by regenerating the elements of native carbons, in virgin materials, whether structured or not, which enter the industrial cycle. substituting for fossil carbons.
  • the CO 2 present in the first gas stream decomposes on passing the first thermal base comprising carbon elements at high temperature.
  • the first gas stream 12 essentially comprising CO.
  • the first gas stream 12 is discharged from the reactor 10 through an evacuation opening 106 located under the first gate 102.
  • a pipe connected to this discharge opening 106 is kept in depression by an extraction system which ensures a constant depression. in the zone of the reactor 10.
  • the solid residues R of the first thermal base 101, such as ash, are evacuated by gravitation through a discharge opening 107 arranged in the bottom of the first reactor 10.
  • the second thermal base 201 is supplied with solid reagent by the communication opening C between the two reactors 10 and 20, which allows the flow of carbon at high temperature, carbon to red, from the first thermal base 101.
  • the saturation of the second thermal base 201 is determined by the upper lip of the communication opening C.
  • the material component of this second thermal base 201 is eminently reducing, its purpose is to deoxidize the vapor water to produce hydrogen and CO 2 .
  • the upper layer of the second thermal base 201 fed continuously by the first thermal base 101, is at the temperature of the thermal base 101.
  • This upper layer / layer is traversed by the water vapor H 2 O, contained in the second superheated gaseous effluent 21 admitted into the reactor 20 through an inlet opening 205, located in the upper part of the reactor upstream of the second thermal base 201.
  • a part of this water vapor H 2 O, superheated at its deoxidation temperature, will deoxidize through the upper layer of the second thermal base 201.
  • H 2 O + C -> H 2 + CO is endothermic.
  • the 131 kJ / mol are provided by the thermal capacity of the upper layer of the second thermal base 201.
  • the reaction temperature at this layer must be above 800 ° C., if the first deoxidation reaction of H 2 O may lower the temperature of this layer below this threshold, a injection of O 2 204 makes it possible to maintain the optimum reaction temperature.
  • the lower layer of the second thermal base 201 in direct contact with the second gate 202 of the second reactor 20, provides the second "CO Shift" reaction defined by the formula
  • This reaction is exothermic, 41 kJ / mol.
  • the thermal energy released can be contained by the arrangement of a double partition, at this lower layer, in which a heat transfer fluid absorbs this thermal energy.
  • the coolant may be water used in the exchangers E1 and E2 described above.
  • the reaction "CO Shift" continues downstream of the gate 202 into the exchanger E2 where the exotherm of the reaction is dissipated to the heat transfer fluid thereof. Downstream of the second grid, the second gas stream is obtained
  • the reactor 20 further comprises an evacuation opening 206 making it possible to evacuate the second stream 22 from the reactor 20.
  • This evacuation opening 206 is connected to a pipework maintained in depression by an extraction system which controls and maintains a constant depression in the reactor 20.
  • the solid residues R of the second thermal base 201 such as ash, are removed by gravitation through a discharge opening 207 provided in the bottom of the second reactor 20.
  • the walls of the enclosure E are configured to be Controlled in temperature and regulated by conventional thermal means, the outer insulation of the enclosure is made in such a way as to limit thermal losses.
  • the walls of the enclosure E may have an interior space in which a coolant can be projected to cool the walls and recover heat energy.
  • the second gas stream 21 can accumulate, in this space, additional heat capacity.
  • the combustion in the two reactors 10 and 20 is preferably reversed, the gaseous effluents and the gas flows having a downward direction of movement in opposition to a gravitational heat flow whose natural direction is ascending.
  • the gaseous system is thus forced by mechanical extraction, not shown, which keeps the two reactors 10 and 20 in depression.
  • the flow organization can nevertheless be conventional, ascending in the two reactors 10 and 20, or differentiated upward flow in one of the reactors and downward flow in the other.
  • the system is thus suitable for at least two independent, concomitant and simultaneous reactions.
  • the reaction in the reactor 10 thus has a triple effect: production of the thermal energy required by the system, by complete oxyfuel combustion of at least a portion of the solid fuel, - production of reagent (carbon at red at very high temperature) to enable the reaction below and supply reagent reactor 2, production of carbon monoxide CO, by the oxidation reaction: C + O 2 ⁇ CO 2 followed by the so-called Boudouard reaction: CO 2 + C -> 2 CO
  • the second thermal base 201 of the reactor 2 is thus composed of carbon red, which has the property of being "redox". Any element and oxidized molecule that will pass through will be deoxidized by generating at least one carbon oxide CO.
  • the system is then ready for the reduction of polluting molecules such as: SOx, NOx, Furans and Dioxins, etc. and more particularly the greenhouse gas CO 2 by prolonging its life cycle by its transformation into CO, which is a commonly used industrial gas.
  • the targeted reaction is more particularly the deoxidation, in this reactor 20, of water vapor H 2 O dihydrogen H 2 which is one of the two components of hydrocarbon molecules.
  • the first stage of this reaction is endothermic: 131 kJ / mol
  • the second stage is exothermic: 41 kJ / mol
  • the overall reaction is therefore endothermic and requires a thermal booster of 90 kJ / mol which is supplied to it by oxycombustion.
  • An oxygen booster system is advantageously provided at the reactor 20 to overcome any energy deficiency.
  • the gases are thus cooled at the temperatures of use for their filtration / purification (transported aerosols, carbons, residual H 2 O, etc.) and their separation, before being put into contact in a catalysis system dedicated to the defined formulation. of hydrocarbon compounds.
  • the CO 2 produced by the combustion and the reactions of the source solid fuel is preferably, according to the invention, of vegetable origin (it is neutral with regard to the issue of greenhouse gases since the plant to renew absorbs its CO 2 equivalent to regrowth). Its liquefaction (for industrial use), its sequestration, its transformation into CO (as a substitute for fossil fuels) makes it possible to reduce the proportion of industrial CO 2 from fossil sources released to the atmosphere. Its recycling by the system according to the invention maximizes the conversion efficiency, the "source” energy of the initial solid fuel, energy made available by synthetic hydrocarbon compounds.
  • the enclosure E is made to meet the temperature standards of the reactors 10 and 20.
  • each of the reactors 10 and 20 divide each of the reactors into two zones: an area upstream of the grid and an area downstream of the grid.
  • Each of the reactors receives the inlet duct of the gaseous effluent to be treated in the upstream and outlet zone of the gaseous stream obtained in the downstream zone.
  • the upstream zones also comprise the O 2 injectors.
  • the upstream zone of the reactor 10 further comprises the inlet opening 103 of the biomass B.
  • the zones of the reactors 10 and 20 downstream comprise the extraction openings, respectively 106 and 206, first and second gaseous streams 12 and 22 obtained and the discharge openings, respectively 107 and 207, of the residues R.
  • the enclosure according to the invention may be called the "Vegetable Carbon Reactor (RCV)".

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'un premier effluent gazeux (11) comprenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) et d'un deuxième effluent gazeux (21) comprenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : génération d'un premier flux gazeux (12) comprenant du monoxyde de carbone (CO) par passage dudit premier effluent gazeux (11) au travers d'une première couche de matière réactive oxydoréductrice (101) comprenant des éléments de carbone à haute température; génération d'un deuxième flux gazeux (22) comprenant essentiellement du dihydrogène (H2) par passage dudit deuxième effluent gazeux (21) au travers d'une deuxième couche oxydoréductrice de matière réactive (201) comprenant des éléments de carbone à haute température; et valorisation d'au moins l'un des premier et deuxième flux gazeux (12, 22). Le procédé peut en outre comprendre une synthèse de molécules hydrocarbonées (HC) à partir du dihydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO). L'invention concerne en outre un système mettant en œuvre le procédé selon l'invention.

Description

« Procédé et système de traitement d'effluents gazeux pour produire indépendamment H2 et CO »
La présente invention concerne un procédé de traitement d'effluents gazeux. Elle concerne également un système mettant en œuvre le procédé selon l'invention.
Le domaine de l'invention est le domaine du traitement d'effluents gazeux. Plus particulièrement l'invention concerne la production de molécules d'oxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2) en flux constants, indépendants, concomitants et contrôlés, à partir d'un combustible contenant des éléments de carbone, en particulier la biomasse végétale, et d'effluents gazeux. L'invention peut s'appliquer dans une grande majorité de domaine industriel.
Il existe actuellement des procédés et systèmes de production de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2) par réaction thermochimique de la biomasse végétale, tel que les procédés de gazéification de la biomasse. Ces procédés permettent de réaliser la gazéification de la biomasse par traitement de la biomasse avec un flux gazeux chaud et humide dans un réacteur de traitement. La biomasse se trouvant dans le réacteur est pyrolysée et gazéifiée et le flux gazeux récupéré après gazéification de la biomasse est chargé de composants gazeux tel que de l'hydrogène du monoxyde de carbone et des composés hydrocarbonés qui se sont formés lors de la gazéification de la biomasse. Ces composants gazeux sont tous mélangés et il est ensuite nécessaire de les séparer si on veut les exploiter séparément. Un inconvénient des procédés de gazéification est qu'il n'est pas possible de contrôler séparément les proportions des composants gazeux présents dans le flux gazeux récupéré après traitement. Ainsi, par exemple, il n'est pas possible de contrôler les proportions d'hydrogène et de monoxyde de carbone produits par la gazéification de la biomasse. De plus, ces procédés ne permettent de produire de l'hydrogène et du monoxyde de carbone que mélangés. Par ailleurs, les procédés et systèmes de gazéification actuellement connus ne permettent pas de traiter un effluent gazeux contenant du CO2, provenant d'une autre source que celle du procédé lui même.
Un but de l'invention est de proposer un procédé et un système de production de H2 et de CO permettant de pallier aux inconvénients des systèmes de l'état de l'art.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et un système de production de H2 et de CO de manière séparée.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et système de production de H2 et de CO permettant de contrôler la quantité de H2 produit indépendamment de la quantité de CO produit.
L'invention propose ainsi un procédé de traitement d'un premier effluent gazeux comprenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) et d'un deuxième effluent gazeux comprenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : - génération d'un premier flux gazeux comprenant du monoxyde de carbone (CO) par passage dudit premier effluent gazeux au travers d'une première couche de matière réactive oxydoréductrice comprenant des éléments de carbone à haute température, - génération d'un deuxième flux gazeux comprenant essentiellement du dihydrogène (H2) par passage dudit deuxième effluent gazeux au travers d'une deuxième couche oxydoréductrice de matière réactive comprenant des éléments de carbone à haute température, et - valorisation d'au moins l'un des premier et deuxième flux gazeux.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet de produire de manière séparée de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Grâce au procédé selon l'invention, les proportions d'hydrogène produit et de monoxyde de carbone produit peuvent être contrôlées séparément. De plus, le monoxyde de carbone et l'hydrogène ne sont pas mélangés et composent deux flux gazeux séparés qui sont valorisable séparément. Dans la suite de la demande nous utiliserons les formules chimiques pour faciliter la lecture. Le procédé selon l'invention comprend, lors du passage du premier effluent gazeux contenant essentiellement du CO2, au travers de la première couche contenant des éléments de carbone à haute température : - une réduction des molécules de CO2 en présence des éléments de carbone à haute température. Cette réduction produit des molécules de monoxyde de carbone (CO) ; et
- une oxydation d'au moins une partie des éléments de carbone à haute température. Cette oxydation produit des molécules de CO. Ainsi le premier flux gazeux obtenu à partir du premier effluent gazeux comprend essentiellement des molécules de CO. Selon la démonstration établie par le physicien BOUDOUARD sur les équilibres des oxydes de carbones CO2 et CO, ce premier flux gazeux ne devrait contenir que des molécules de CO. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre un échange thermique d'au moins l'un des premier et deuxième flux gazeux avec un flux caloporteur, ce flux gazeux cédant au moins une partie de son énergie thermique au flux caloporteur. En particulier le premier et le deuxième flux gazeux peuvent céder au moins une partie de leur énergie thermique au flux caloporteur.
Par ailleurs, le flux caloporteur peut comprendre l'eau. Dans une version particulière de l'invention le flux caloporteur peut être de l'eau à l'état gazeux ou liquide. L'échange thermique de l'eau avec le premier et le deuxième flux gazeux produit alors un troisième flux gazeux comprenant de la vapeur d'eau à haute température.
Avantageusement, au moins une partie de la vapeur d'eau contenue dans le deuxième effluent gazeux peut provenir du troisième flux gazeux contenant essentiellement de la vapeur d'eau. En effet, une partie du deuxième effluent gazeux peut provenir d'une installation produisant un effluent gazeux contenant de la vapeur d'eau. Une partie du troisième flux gazeux peut être mélangée à l'effluent gazeux provenant de cette installation pour obtenir le deuxième effluent gazeux.
Dans une version particulière de l'invention, le procédé peut être démarré avec un deuxième effluent gazeux contenant de l'eau produit par un autre dispositif, système ou installation nécessitant ou non un apport énergétique. Une fois le procédé démarré, le troisième flux gazeux peut être le deuxième effluent gazeux de manière que le deuxième effluent gazeux est totalement produit par le procédé selon l'invention, et le procédé selon l'invention est alors autosuffisant en énergie thermique pour produire le deuxième effluent gazeux.
Le procédé selon l'invention comprend en outre, lors du passage du deuxième effluent gazeux, contenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O), au travers de la deuxième couche contenant des éléments de carbone à haute température :
- une réduction de molécules de vapeur d'eau en présence desdits éléments de carbone à haute température, ladite réduction produisant des molécules de H2, et
- une oxydation d'au moins une partie desdits éléments de carbone à haute température, ladite oxydation produisant des molécules de
CO ;
- une réduction de molécules de vapeur d'eau (H2O) en présence des molécules de CO, en traversée finale de la deuxième couche et dans la zone post couche de matière réactive, dans une réaction de "CO Shift" produisant des molécules de H2, et
- une oxydation d'au moins une partie desdites molécules de CO, ladite oxydation produisant des molécules de CO2 ; le deuxième flux gazeux comprenant essentiellement de l'hydrogène H2 et du dioxyde de carbone CO2. Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape de séparation du CO2 contenu dans le deuxième flux gazeux, pour fournir un quatrième flux gazeux comprenant essentiellement du CO2 et un cinquième flux gazeux contenant essentiellement de l'hydrogène H2.
Avantageusement, au moins une partie du quatrième flux gazeux contenant essentiellement du CO2 peut être mélangée au premier effluent gazeux. En effet, une partie du premier effluent gazeux peut provenir d'une installation produisant un effluent gazeux contenant du CO2. Une partie du quatrième flux gazeux peut être mélangée à l'effluent gazeux provenant de cette installation pour obtenir le premier effluent gazeux. Dans une version particulière de l'invention, le procédé peut être démarré avec un premier effluent gazeux contenant CO2 produit par un autre dispositif, système ou installation nécessitant ou non un apport énergétique. Une fois le procédé démarré, le quatrième flux gazeux peut être le premier effluent gazeux de manière que le premier effluent gazeux est totalement produit par le procédé selon l'invention, et que le procédé selon l'invention est autosuffisant pour générer le premier effluent gazeux.
Par ailleurs, au moins une partie de la première couche oxydoréductrice est réalisée par combustion, en présence d'un comburant, d'un combustible composé d'éléments de carbone dans des conditions sous-stœchiométriques.
Ce combustible solide peut comprendre de la biomasse végétale. En effet, la biomasse végétale répond avantageusement au critère de combustible solide composé de carbone. De plus, la biomasse végétale participe au cycle naturel du carbone de la façon suivante. Le carbone entrant dans la composition atomique de la biomasse végétale provient de la transformation essentiellement par photosynthèse du dioxyde de carbone atmosphérique. On considère donc que le CO2 issu de la combustion de biomasse végétale a un effet neutre sur la problématique des gaz à effet de serre, à la différence de celui qui est issu de la combustion d'énergies fossiles. En outre, la biomasse végétale est une source d'énergie renouvelable. Les molécules CO2 et hydrocarbonées font partie de l'éco-cycle de vie, l'industrie génère ces molécules à l'excès créant ainsi un profond déséquilibre qui pollue l'écosystème. Ces éléments peuvent être recyclés directement par le procédé de façon permanente, ils ne participeront donc plus aux gaz à effet de serre (GES). Par ailleurs, une grande majorité des sources de biomasse végétale, qui est une matière première renouvelable et cultivable, sont utilisables par le procédé selon l'invention. Leur valorisation et l'impact sur l'environnement est bénéfique quand elles sont conditionnées pour l'usage du procédé : - simplement déchiquetée en plaquettes ou copeaux grossiers, la biomasse arboricole sera optimisée par une déshydratation qui permet l'exhaustive exploitation de son pouvoir énergétique.
- en torréfiant ces déchiquetures, par une technique appropriée qui recycle l'énergie qui y est mise en œuvre, son taux de carbone par masse de matière finale est sensiblement augmenté, rendant ainsi le combustible plus réactif,
- broyée, séchée et densifiée, toute biomasse végétale sera transformée en un combustible solide homogène, stable et calibré qui possède des propriétés identiques, quelque soit l'origine des matières premières, forestières et/ou agricoles. Une densification performante concentre le carbone de la matière végétale jusqu'à 85% de la masse (au lieu des 50% de la matière source) et le produit de la technique peut avantageusement être de forme cylindrique, pour favoriser les écoulements gravitaires dans le système.
La torréfaction et/ou la densification améliorent l'exploitation globale du système grâce notamment au maintien de la qualité du combustible solide au cours du stockage, La biomasse végétale est disponible pratiquement partout et à profusion, sa densification peut être réalisée sur le site même de son exploitation, comme sur le site de l'industriel qui installe le système mettant en œuvre le procédé selon invention.
La combustion du combustible solide peut être réalisée sous comburant O2. Ce comburant peut être injecté de façon ciblée au cœur de la première couche.
Avantageusement, au moins une partie de la deuxième couche oxydoréductrice est réalisée par transfert ou récupération d'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche. La première couche peut se trouver à un emplacement plus élevée que la première couche. Par ailleurs la première couche peut être inclinée vers la deuxième couche de manière qu'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche s'écoulent par gravitation de la première couche vers la deuxième couche.
Selon l'invention, la température de la première couche est supérieure ou égale à 10000C et la température de la deuxième couche est comprise entre 800 à 10000C. Les températures de la première et de la deuxième couche peuvent être régulées par injection d'un comburant, par exemple de I1O2.
Tel qu'indiqué plus haut, le procédé selon l'invention peut comprendre une séparation des molécules de CO2 et H2 présent dans le deuxième flux gazeux, cette séparation fournissant un cinquième flux gazeux comprenant essentiellement du H2. Le CO2 est recyclable en CO par la première couche, il peut être temporairement stocké, liquide et/ou gazeux pour participer à la régulation et à la sécurité de l'installation. Il peut aussi être commercialisé, sous forme liquide, aux exploitants industriels. La désoxydation de ce CO2 en 2 CO permet aussi un soutirage de CO, qui peut être compensé par un appoint de CO2 d'origine industriel, lui même alors retiré des gaz à effet de serre le temps d'un nouveau cycle de vie ou définitivement en cas de substitution d'une énergie fossile. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre une synthèse de composés hydrocarbonés à partir du H2 et du CO dans des moyens tels que des catalyseurs.
En effet, le procédé selon l'invention permet d'obtenir séparément trois flux gazeux contenant du CO, H2 et CO2 qui peuvent être mis en réservoirs tampons, pour être utilisés, selon tous les dosages souhaités, dans toutes les formulations hydrocarbonées existantes et à venir, dans l'espace éco industriel de la chimie et de la pétrochimie, ainsi que de l'environnement et la dépollution.
Plus particulièrement, l'invention vise à la production de carburants et de combustibles liquides et gazeux de synthèse, pour une substitution des produits pétroliers et du gaz naturel par ces carburants et combustibles d'origine végétale et renouvelable. Pour la synthèse de ces carburants et combustibles, ce sont les molécules CO et H2 qui sont exploitées. Ces deux gaz sont dirigés, selon les quantités et à la température adéquate pour la synthèse définie dans le système de catalyse dédié. Les gaz épurés peuvent avantageusement être réchauffés par les gaz de réaction, avant leur refroidissement à la température d'épuration. Le cycle thermique ainsi défini est bouclé, sans autres pertes que celles inhérentes aux déperditions de tous matériels et systèmes thermiques. La capacité énergétique des composés hydrocarbonés, avant la synthèse catalytique, est le maximum du potentiel énergétique, du combustible mis en œuvre dans le système selon l'invention, que l'on puisse obtenir. À la sortie de la catalyse, la nouvelle source d'énergie synthétisée est récupérée :
- le biogaz de synthèse est conditionné pour être stocké et/ou exploité en l'état,
- les hydrocarbures liquides sont distillés pour être stockés en l'état et exploités,
- les composés hydrocarbonés, pour la production d'énergie de substitution ou de molécules de synthèses, sont conditionnés pour être stockés en l'état et/ou exploités.
Par ailleurs, le procédé selon l'invention réalise une épuration d'au moins un des premier et deuxième effluents gazeux par une combustion de particules combustibles présentes dans le premier effluent gazeux et/ou dans le deuxième effluent gazeux lors du passage de ces effluents gazeux au travers de la première couche et/ou de la deuxième couche.
Selon un autre aspect de l'invention il est proposé un système de recyclage d'un premier effluent gazeux comprenant essentiellement du (CO2) et d'un deuxième effluent gazeux comprenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O). Le système selon l'invention comprend une enceinte comprenant : - un premier réacteur comprenant une première grille supportant une première couche oxydoréductrice de matière réactive comprenant des éléments de carbone à haute température, la première couche étant traversée par le premier effluent gazeux fournissant un premier flux gazeux comprenant du CO, et
- un deuxième réacteur comprenant une deuxième grille supportant une deuxième couche oxydoréductrice de matière réactive comprenant des éléments de carbone à haute température, la deuxième couche étant traversée par le deuxième effluent gazeux fournissant un deuxième flux gazeux comprenant du H2.
Le système selon l'invention comprend en outre des moyens de valorisation d'au moins l'un des premier et deuxième flux gazeux.
Avantageusement, le système selon l'invention peut comprendre une ouverture de communication par laquelle les premier et deuxième réacteurs communiquent entre eux de manière qu'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche passe du premier réacteur vers le deuxième réacteur au travers de l'ouverture de communication pour former au moins une partie de la deuxième couche.
Par ailleurs, la première grille supportant la première couche se situe à un emplacement plus haut que la deuxième grille supportant la deuxième couche. La première grille est sensiblement inclinée vers la deuxième grille, l'extrémité la plus basse de la première grille se situant au niveau de l'ouverture de communication de manière qu'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche s'écoule du premier réacteur vers le deuxième réacteur pour former la deuxième couche. En procédant ainsi on évite la phase endothermique de cette seconde couche de matière réactive (si elle devait être alimentée en combustibles solides froids) qui générerait des oxydes de carbones, qui pourraient perturber la génération du deuxième flux gazeux. De plus, les première et deuxième grilles sont perméables aux premier ou deuxième flux gazeux, chacune de ces grilles séparant le réacteur dans lequel elle se trouve en une première et deuxième zone. La première zone se situe au dessus de la grille et comprend une ouverture d'introduction de l'effluent gazeux dans le réacteur et la deuxième zone se situe en dessous de ladite grille et comprend une ouverture d'extraction du flux gazeux. Par ailleurs ces grilles peuvent être refroidies à l'aide d'un fluide caloporteur, qui peut être de l'eau, circulant ou projetée dans ces grilles. Avantageusement, le premier réacteur peut comprendre une ouverture d'introduction, sur la première grille, d'un combustible comprenant des éléments de carbone, la première couche étant réalisée par combustion, en présence d'un comburant, du combustible dans des conditions sous-stœchiométriques. Ce combustible est de préférence de la biomasse végétale.
Chacun des premier et deuxième réacteurs peut en outre comprendre des moyens d'injection d'un comburant dans le réacteur et plus particulièrement à cœur pour la première couche de matière réactive oxydoréductrice. Ce comburant est d'une part utilisé pour réaliser la combustion, dans des conditions sous-stœchiométriques, du combustible introduit dans le premier réacteur et par conséquent de celui qui gravite par l'ouverture d'introduction dans le deuxième réacteur et, d'autre part, pour réguler la température des deux couches de matières réactives oxydoréductrices. Le système selon l'invention peut en outre comprendre des moyens de récupération de résidus provenant de chacun des premier et deuxième réacteurs. Ces résidus peuvent évacués de chacun des réacteurs par une ouverture d'évacuation se situant dans le fond du réacteur et débouchant vers au moins un cendrier prévu pour accueillir les résidus. Le système selon l'invention peut en outre comprendre au moins un échangeur thermique réalisant un échange thermique d'au moins un desdits premier et deuxième flux avec un fluide caloporteur.
Ce fluide caloporteur peut être de l'eau. L'échangeur thermique fournit alors un troisième flux gazeux comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température. Le système selon l'invention peut en outre comprendre un circuit d'amené d'au moins une partie du troisième flux gazeux dans le deuxième réacteur ou dans le deuxième effluent gazeux. Par ailleurs le système selon l'invention peut comprendre des moyens de séparation des différents composés gazeux du deuxième flux gazeux, comprenant du H2 et du CO2 obtenu par oxydo-réduction de la vapeur d'eau en présence d'éléments de carbone à haute température. Ces moyens de séparation peuvent fournir un quatrième flux gazeux comprenant essentiellement du CO2 et un cinquième flux gazeux comprenant essentiellement du H2.
Au moins une partie du quatrième flux gazeux peut être amené dans le premier réacteur ou mélangé dans le premier effluent gazeux par un circuit d'amené.
Enfin, le système selon l'invention peut comprendre des moyens de synthèse de composés hydrocarbonés à partir du H2, du CO mais aussi du CO2 obtenus lors du procédé selon l'invention.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique du système selon l'invention ; et - la figure 2 est une représentation schématique d'une enceinte selon l'invention comprenant le premier et le deuxième réacteur.
La figure 1 est une représentation schématique du système selon l'invention. Le système selon l'invention comprend une enceinte E comprenant un premier réacteur 10 comprenant une première couche oxydoréductrice de matière réactive comprenant des éléments de carbone à haute température et un deuxième réacteur 20 comprenant une deuxième couche oxydoréductrice de matière réactive comprenant des éléments de carbone à haute température. Cette enceinte E de réaction, comportant les deux réacteurs 10 et 20, est représentée en figure 2 et détaillée plus bas.
Le réacteur 10 se trouvant dans l'enceinte E reçoit de la biomasse B pour alimenter les réactions se produisant dans les réacteurs 10 et 20 et plus particulièrement pour réaliser les couches oxydoréductrices dans les réacteurs 10 et 20. La biomasse B est de préférence de la biomasse végétale dont le pouvoir calorifique à été optimisée. La biomasse B introduite dans le premier réacteur 10 subit une oxycombustion dans des conditions sous-stœchiométriques en présence d'un comburant qui est de IO2. L'oxygène est injecté directement dans le réacteur 10 et éventuellement dans le réacteur 20, pour d'une part réaliser la combustion de la biomasse B et, d'autre part, réguler les températures des couches de matière réactives se trouvant dans les réacteurs 10 et 20. L'oxygène peut être de l'oxygène industriel
Le réacteur 10 reçoit un premier effluent gazeux 11 comprenant essentiellement du dioxyde de carbone CO2. Cet effluent gazeux 11 peut provenir, au moins en partie, d'une installation externe. Dans l'exemple représenté en figure 1 l'effluent gazeux 11 est produit par recyclage des différents flux gazeux produits par le système selon l'invention à différentes étapes du procédé selon l'invention. En traversant la couche de matière réactive se trouvant dans le réacteur 10, composée de combustible solide carboné en oxycombustion sous-stœchiométrique, le CO2 présent dans le premier effluent gazeux 11 et celui provenant de la combustion de la biomasse sont réduits en monoxyde de carbone CO, selon la réaction définie par Boudouard :
CO2 + C ^ 2CO.
La conversion est intégrale dès lors que la température de réaction est égale ou supérieure à 1000 0C. Le CO est un gaz industriel, il est la forme active du carbone entrant dans les catalyseurs de synthèse. De plus le CO obtenu peut participer à la synthèse des carbones exploitables dans les molécules hydrocarbonées et génératrices de produits industriels. Le cycle de vie du CO2, présent dans le premier effluent gazeux 11 et provenant de la combustion de la biomasse B sous comburant O2, est ainsi prolongé et se substitue à son équivalent en carbone fossile qui aurait participé aux gaz à effet de serre. Le réacteur 10 fournit en sortie un premier flux gazeux 12 comprenant essentiellement du CO.
Le réacteur 20 reçoit lui un deuxième effluent gazeux 21 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température H2O. Ce deuxième effluent gazeux 21 peut provenir, au moins en partie, d'une installation externe. Dans l'exemple représenté en figure 1 le deuxième effluent gazeux 21 est produit par valorisation énergétique des différents flux gazeux produits par le système selon l'invention à différentes étapes du procédé selon l'invention La vapeur d'eau H2O se trouvant dans le deuxième effluent gazeux 21 est à très haute température, acquise en refroidissant les gaz sortants des deux réacteurs. La température de la vapeur d'eau, qui traverse le réacteur dédié de l'enceinte réacteur 1, doit se situer entre 700 et 1000 0C pour être aux conditions requises pour la réaction de désoxydation. En traversant la couche de matière réactive, dans le réacteur 20, comprenant des éléments de carbone à haute température, supérieure ou égale à 1000 0C, la molécule H2O va perdre son atome d'oxygène au profit d'un atome de carbone et/ou d'une molécule de CO (monoxyde de carbone) selon la formule : C + H2O -> CO + H2, ensuite
CO + H2O -» CO2 + H2,
Le réacteur 20 fournit en sortie un deuxième flux gazeux 22 comprenant essentiellement du dihydrogène H2 et du dioxyde de carbone CO2.
À la sortie de l'enceinte E et plus particulièrement des premier et deuxième réacteurs 10 et 20, les premier et deuxième flux gazeux 12 et
22 sont à haute température. Ils sont difficilement valorisâmes à cette température. La charge thermique qu'ils détiennent est utile au procédé de réaction. Il convient donc de la récupérer.
Le premier flux gazeux 12 produit par le réacteur 10 traverse un échangeur eau/gaz El. Dans l'échangeur thermique El le premier flux gazeux 12 comprenant du monoxyde de carbone CO va transférer son excédent de chaleur un fluide caloporteur qui dans l'exemple représenté en figure 1 est de l'eau liquide H2OL. Ce fluide caloporteur est à la température et à la pression du réseau de distribution ou d'une réserve dédiée. En échangeant sa charge thermique, le premier flux gazeux 12 va évaporer l'eau et fournir un troisième flux gazeux 13 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau à haute température. Le refroidissement du premier flux gazeux 12 est défini par la consigne de stockage du monoxyde de carbone CO, se trouvant dans le premier flux gazeux 12, dans un réservoir 14 et/ou la consigne d'emploi de ce CO. Cette température peut être proche de la température de l'eau liquide H2OL entrant dans l'échangeur El. La vapeur d'eau surchauffée composant le troisième flux gazeux 13 sortant de l'échangeur El est canalisée vers le réacteur 20 pour y être désoxydée tel que décrit plus haut. La capacité thermique du premier flux gazeux 12 est ainsi recyclée intégralement et participe au rendement global du procédé selon l'invention. Ainsi, le troisième flux gazeux compose en partie le deuxième effluent gazeux 21.
Le deuxième flux gazeux 22 produit par le réacteur 20 passe dans un échangeur E2 similaire à l'échangeur El, c'est-à-dire un échangeur thermique eau/gaz, dans lequel le deuxième flux gazeux 22, comprenant essentiellement du H2 et du CO2 selon les proportions approximatives et respectives de 2/3-1/3, va transférer son excédent de chaleur à un fluide caloporteur qui, dans l'exemple représenté en figure 1, est aussi de l'eau liquide H2OL. Ce fluide caloporteur est à la température et à la pression du réseau de distribution ou d'une réserve dédiée. En échangeant sa charge thermique, le deuxième flux gazeux 22 va évaporer l'eau liquide H2OL- En sortie de l'échangeur E2 on a donc un flux gazeux 23 comprenant essentiellement de la vapeur d'eau surchauffée qui est mélangé avec le troisième flux gazeux 13 pour être retournée vers le réacteur 20 pour y être désoxydée. L'ensemble (flux gazeux 13+flux gazeux 23) fournies par les échangeurs thermique El et E2 composent le deuxième effluent gazeux 21. Le refroidissement du deuxième flux gazeux 22 est défini par la consigne d'emploi et/ou de stockage du deuxième flux gazeux 22, et/ou la température adéquate pour le meilleur rendement d'un séparateur gazeux 24 réalisant la séparation du dihydrogène H2 et du dioxyde de carbone CO2, température qui peut être proche de la température de l'eau liquide entrant dans l'échangeur E2.
La récupération et le recyclage des capacités thermiques des premier et deuxième flux gazeux 12 et 22 participent au rendement global du système selon l'invention et notamment au transfert de l'énergie de la biomasse solide aux molécules "d'énergie gazeuse" H2 et CO.
Le séparateur 24 réalise la séparation du H2 et du CO2. En sortie du séparateur 24 on a donc un quatrième flux gazeux 25 comprenant essentiellement du dioxyde de carbone CO2 et un cinquième flux gazeux 26 comprenant essentiellement du dihydrogène H2
Le cinquième flux gazeux 26 comprenant essentiellement du H2 peut être exploité en l'état sur le site d'implantation du système selon l'invention, pour une synthèse d'hydrocarbonés par exemple, et/ou de l'hydrogénation moléculaire, et/ou de la production d'électricité, dans une pile à combustible par exemple, et/ou tout procédé industriel exploitant ce gaz. Il peut aussi être conditionné et/ou liquéfié sur place pour être stocké dans un réservoir 27 avant exploitation ultérieure.
Au moins une partie du quatrième flux gazeux 25 comprenant essentiellement du CO2 est destiné à être réintroduit dans le réacteur 10 pour être recyclé et réduit en CO, tel que décrit ci-dessus. Au moins une partie du quatrième flux gazeux 25 compose donc le premier effluent gazeux 11. En procédant ainsi on boucle le cycle de réaction. Le rapport de l'énergie disponible, par les gaz de synthèse, c'est-à-dire le premier et le deuxième flux gazeux, au potentiel énergétique du combustible solide est maximal.
Une partie du quatrième flux gazeux 25 comprenant essentiellement du CO2 peut être liquéfiée pour être stockée, en attente d'usage, dans un réservoir 28 et/ou être mis en réserve tampon à l'état gazeux, afin de réguler son exploitation.
Les molécules H2 et CO peuvent ainsi être produites séparément, aux quantités requises par l'usage, à températures égales ou différentes.
Elles peuvent être exploitées ensembles, dans une synthèse catalytique, ou être exploitées séparément, comme les deux simultanément dans des applications différentes.
Dans le cas d'un usage direct dans un système de cogénération d'énergie à très haut rendement, piles à combustible, turbines à gaz en cycle combiné, le premier et le deuxième flux gazeux peuvent être exploités sans séparation moléculaire après le refroidissement dans les échangeurs thermique El et E2. Le transfert du pouvoir calorifique du combustible solide au pouvoir calorifique du gaz de synthèse, H2 et CO, est maximal. Seules les déperditions thermiques, en fonction des isolants mis en œuvre de l'enceinte E et des périphériques, sont à en déduire du taux. Ce seront ensuite les caractéristiques et qualités des matériels, qui exploitent ces flux gazeux 12 et 22, qui définiront le rendement global de la conversion d'énergie.
Les résidus solides R de chacun des réacteurs 10 et 20 sont récupérés et évacués des réacteurs 10 et 20.
Si H2 est exploité en l'état sur le site d'implantation du système, pour une synthèse d'hydrocarbonés par exemple, ou hydrogénation moléculaire, ou tout procédé industriel exploitant ce gaz, il conviendra de mettre en œuvre un séparateur chimique ou membranaire 25 qui permettra la gestion séparée de H2 et CO2. Ces matériels sont connus et disponibles couramment.
Si H2 est destiné à être stocké dans le réservoir 27, en partie ou en totalité, les procédés actuels sont des systèmes de cryogénie. Compte tenu de la température/pression de liquéfaction de H2, le CO2 sera naturellement liquéfié durant la procédure, la séparation est donc effective.
Le système selon l'invention comprend également au moins un module de catalyse 30 défini selon le choix des molécules hydrocarbonées HC à produire à partir du H2 et CO obtenus. Ce module de catalyse peut comprendre des catalyseurs, synthétiseurs, reformeurs, ou tout autre système ou dispositif connu et couramment utilisé par l'industrie chimique et pétrochimique.
Avantageusement, l'invention permet de produire H2 et CO de manière séparée et en quantité désirée. L'approvisionnement du système de catalyse et de reformage est donc réalisé en fonction de la molécule à obtenir, la synthèse de tous les hydrocarbonés HC liquides et gazeux est possible, c'est le choix du module de synthèse 30 qui est déterminant. Avantageusement selon l'invention, tous types de systèmes de synthèse gazeuse et liquide peuvent être associés à la production des deux molécules H2 et CO. Ces systèmes peuvent cohabiter pour être alimentés simultanément. La synthèse peut ainsi être plurielle et produire en même temps, du gaz et du combustible liquide, ainsi que du carburant automobile, avec un rendement de conversion maximal, rapporté à l'énergie initialement détenue par la biomasse et/ou le combustible solide réactif.
L'invention présente ici deux réactions indépendantes, concomitantes et simultanées dans une enceinte E commune comprenant deux réacteurs 10 et 20 communicants à actions différenciées. Nous allons maintenant décrire l'enceinte E en référence à la figure
2. L'enceinte E comprend le premier réacteur 10 de réduction du CO2 présent dans le premier effluent gazeux 11 et le réacteur 20 de réduction du H2O présent dans le deuxième effluent gazeux 21.
Le premier réacteur 10 comprend une première couche de matière réactive 101 supportée par une première grille 102. La grille 102 est perméable aux gaz de réactions et peut être refroidie ou non. La couche de matière réactive peut aussi être appelée « première base thermique ». Elle composée de combustible solide en oxycombustion, préférentiellement de la biomasse végétale B, introduite sur la grille par une ouverture d'introduction 103 en forme de goulotte. La biomasse B peut être du gabarit des plaquettes forestières ou de copeaux/déchiquetures de la filière bois, il peut s'agir de broyats et/ou sciures et/ou toutes matières végétales agglomérées en granulés, briquettes, bûchettes, etc. Ce peut être aussi de la biomasse sylvicole et/ou agricole à l'état anhydre ou torréfiée ou encore densifiée à haute concentration en carbone et calibrée sous forme cylindrique.
Dans certains cas et pour certaines applications ce combustible solide peut être du charbon, de la tourbe, du lignite, etc.
La biomasse B présente sur la grille 102 est en oxycombustion. Cette oxycombustion est rendue possible par injection d'un comburant, préférentiellement de I1O2 injecté au cœur de la base thermique 101 par au moins un injecteur 104. C'est l'injection de I1O2 qui permet l'organisation de strates spécifiques dans l'épaisseur de la première base thermique 101. L'injection d'O2 est définie pour oxyder la partie (strate) centrale de la base première thermique afin de générer l'énergie thermique nécessaire à l'ensemble des réactions se produisant au niveau de la première base thermique. La partie supérieure de la base thermique est définie par l'approvisionnement continu en combustible B, cette zone est endothermique. La partie inférieure, en contact direct avec la grille 102, est définie par la réaction de Boudouard, elle est contrôlée en température et en compositions moléculaires (ratio CO2/CO). Sa régulation se fait par le contrôle du débit O2 injecté, le contrôle d'absence de CO2 (l'essentiel du flux gazeux est composé de CO) et l'approvisionnement en combustible.
Le réacteur 20 comprend une couche de matière réactive 201 comprenant des éléments de carbone à haute température. Cette couche 201 peut aussi être appelée deuxième base thermique. Elle est supportée par une deuxième grille 202 qui peut être refroidie ou non. La régulation de la température de la base thermique 201 peut être assurée par injection de comburant O2 par au moins un injecteur 204 disposée juste au dessus de la base thermique 201.
Les deux réacteurs 10 et 20 sont séparés par une paroi 203 présentant une ouverture de communication C par laquelle les réacteurs 10 et 20 sont en communication.
La première grille 102 supportant la première base thermique 101 est sensiblement inclinée vers la deuxième grille 202 supportant la deuxième base thermique 201. L'extrémité de la grille 102 la plus proche de la grille 202 est disposée au niveau de l'ouverture de communication C. L'inclinaison de la grille 102 et l'oxycombustion contrôlée rendent la strate centrale de la première base thermique 101 instable, les matières en ignition gravitent vers le bas. Les particules de carbone solide à haute température, brandons provenant de la base thermique 101, s'écoulent par gravité sur la grille 202 au travers de l'ouverture C pour former la deuxième base thermique 201. La grille 202 du réacteur 20 reçoit les brandons de combustible solide provenant de la base thermique 101 du réacteur 10 qui se sont écoulés par gravité au travers de l'ouverture C. Ces matières, qui sont issues de la biomasse combustible solide en oxycombustion formant la première base thermique 101, sont en partie consumées par l'oxycombustion et réduites à l'état de carbone pur. La température de ces particules de carbone fait de ces éléments de carbone des éléments oxyréducteurs très réactif. Les brandons s'écoulent ainsi naturellement par la communication C, jusqu'à ce que la charge en carbone réactif, sur la grille 202, couvre toute la hauteur de l'ouverture de communication C. C'est le comblement de la hauteur de la deuxième base thermique 201 qui régule l'écoulement des brandons en provenance de la première base thermique 101.
Le réacteur 10 comprend en outre une ouverture d'admission 105 du premier effluent gazeux 11, comprenant le CO2 à réduire en sa partie haute. Tel que décrit plus haut le premier effluent gazeux provient au moins en partie du recyclage du quatrième flux gazeux. Le CO2 présent dans le premier effluent gazeux 11 s'ajoute au CO2 de l'oxycombustion de la strate de combustible solide. Au moins une partie du CO2 présent dans le premier effluent peut aussi provenir d'une installation industrielle externe au système selon l'invention. Ainsi, le cycle de vie du carbone qu'il contient peut-être prolongé, et sa contribution à l'effet de serre retranchée. Une part plus ou moins importante de ce polluant atmosphérique peut être recyclée dans le système selon l'invention, le CO résultant de la réduction du CO2 au passage de la première base thermique peut être réduit dans un catalyseur spécifique où il réagira selon la réaction démontrée par le physicien Boudouard : 2CO, en présence de Nickel, échangent un atome d'O au profit d'un CO. Cette réaction est exothermique 172kJ/mol et est à l'équilibre à l'entour de 400 0C, cette exothermie peut être recyclée dans le procédé, soit 2CO -» C + CO2 + 172 kJ/mol. Ainsi, en recyclant du CO2 industriel, qui autrement contribuerait à l'effet de serre, on peut allonger le cycle de vie du carbone en régénérant les éléments de carbones natifs, en matières vierges structurées ou non, qui entrent dans le cycle industriel en se substituant aux carbones fossiles.
Le CO2 présent dans le premier flux gazeux se décompose au passage de la première base thermique comprenant des éléments de carbone à haute température. On obtient, ainsi, en aval de la base thermique le premier flux gazeux 12 comprenant essentiellement du CO. Le premier flux gazeux 12 est évacué du réacteur 10 par une ouverture d'évacuation 106 se situant sous la première grille 102. Une canalisation reliée à cette ouverture d'évacuation 106 est maintenue en dépression par un système d'extraction qui assure une constante dépression dans la zone du réacteur 10. Les résidus solides R de la première base thermique 101, tels que des cendres, sont évacués par gravitation au travers d'une ouverture d'évacuation 107 aménagée dans le fond du premier réacteur 10.
Tel que nous l'avons décrit plus haut, la deuxième base thermique 201 est approvisionnée en réactif solide par l'ouverture de communication C entre les deux réacteurs 10 et 20, qui permet l'écoulement de carbone à haute température, carbone au rouge, en provenance de la première base thermique 101. La saturation de la deuxième base thermique 201 est déterminée par la lèvre supérieure de l'ouverture de communication C. La matière composant cette deuxième base thermique 201 est éminemment réductrice, son but est de désoxyder la vapeur d'eau pour produire l'hydrogène et du CO2.
La couche supérieure de la deuxième base thermique 201, alimentée en continu par la première base thermique 101, est à la température de la base thermique 101. Cette couche/strate supérieure est traversée par la vapeur d'eau H2O, contenue dans le deuxième effluent gazeux 21, surchauffée admise dans le réacteur 20 par une ouverture d'admission 205, située dans la partie supérieure du réacteur en amont de la deuxième base thermique 201. Une partie de cette vapeur d'eau H2O, surchauffée à sa température de désoxydation, va se désoxyder en traversant la strate supérieure de la deuxième base thermique 201. La réaction de désoxydation
H2O + C -> H2 + CO est endothermique. Les 131 kJ/mol sont fournis par la capacité thermique de la strate supérieure de la deuxième base thermique 201. La température de réaction, au niveau de cette strate, doit se situer au dessus de 800 0C, si la première réaction de désoxydation de H2O risque d'abaisser la température de cette couche au dessous de ce seuil, une injection d'O2 204 permet de maintenir la température optimale de réaction.
La couche inférieure de la deuxième base thermique 201, en contact direct avec la deuxième grille 202 du deuxième réacteur 20, assure la seconde réaction "CO Shift" définit par la formule
H2O + CO^ H2 + CO2
Cette réaction est exothermique, 41 kJ/mol. L'énergie thermique dégagée peut être contenue par l'aménagement d'une double cloison, au niveau de cette couche inférieure, dans laquelle un fluide caloporteur absorbe cette énergie thermique. Le fluide caloporteur peut être de l'eau utilisée ensuite dans les échangeurs El et E2 décrits plus haut. La réaction "CO Shift" se poursuit en aval de la grille 202 jusque dans l'échangeur E2 où l'exothermie de la réaction est dissipée vers le fluide caloporteur de celui-ci. En aval de la deuxième grille on obtient le deuxième flux gazeux
22 comprenant essentiellement du H2 et du CO2. Le réacteur 20 comprend en outre une ouverture d'évacuation 206 permettant de réaliser l'évacuation du deuxième flux 22 hors du réacteur 20. Cette ouverture d'évacuation 206 est connectée à une tuyauterie maintenue en dépression par un système d'extraction qui contrôle et maintient une constante dépression dans le réacteur 20.
Les résidus solides R de la deuxième base thermique 201, tels que des cendres, sont évacués par gravitation au travers d'une ouverture d'évacuation 207 aménagée dans le fond du deuxième réacteur 20. Les parois de l'enceinte E sont configurées pour être contrôlées en température et régulées par les moyens thermiques classiques, l'isolation extérieure de l'enceinte est réalisée de manière à limiter les déperditions thermiques.
Les parois de l'enceinte E peuvent présenter, un espace intérieur dans lequel un fluide caloporteur peut être projeté de manière à refroidir ces parois et récupérer de l'énergie thermique. Avantageusement, le deuxième flux gazeux 21 peut accumuler, dans cet espace, un supplément de capacité thermique. La combustion dans les deux réacteurs 10 et 20 est de préférence inversée, les effluents gazeux et les flux gazeux ayant un sens de déplacement descendant en opposition à un flux thermique gravitaire dont le sens naturel est ascendant. Le système gazeux est donc forcé par extraction mécanique, non représenté, qui maintient les deux réacteurs 10 et 20 en dépression. L'organisation des flux peut néanmoins être classique, ascendants dans les deux réacteurs 10 et 20, ou différenciés flux ascendant dans l'un des réacteurs et flux descendant dans l'autre.
Le système est ainsi apte pour au moins deux réactions indépendantes, concomitantes et simultanées. La réaction dans le réacteur 10 a ainsi un triple effet : production de l'énergie thermique nécessaire au système, par oxycombustion complète d'au moins une partie du combustible solide, - production de réactif (carbone au rouge à très haute température) pour permettre la réaction ci-dessous et alimenter en réactif le réacteur 2, production de monoxyde de carbone CO, par la réaction d'oxydation : C + O2 → CO2 suivie de la réaction dite de Boudouard : CO2 + C -» 2 CO
La deuxième base thermique 201 du réacteur 2 est ainsi composée de carbone au rouge, qui a la propriété d'être "oxydoréducteur". Tout élément et molécule oxydé qui la traversera sera désoxydé en générant au moins un oxyde de carbone CO. Le système est alors prêt à la réduction de molécules polluantes telles que : SOx, NOx, Furanes et Dioxines, etc. et plus particulièrement le gaz à effet de serre qu'est le CO2 en prolongeant son cycle de vie par sa transformation en CO, qui est un gaz industriel communément employé.
Selon l'invention, la réaction visée est plus particulièrement la désoxydation, dans ce réacteur 20, de la vapeur d'eau H2O en dihydrogène H2 qui est un des deux composants de molécules hydrocarbonées.
La réaction dans ce réacteur 2 est réalisée en deux temps : 1. C + H2O ^ CO + H2 2. "CO Shift" : CO + H2O -» CO2 + H2
Le premier temps de cette réaction est endothermique : 131 kJ/mol, le deuxième temps est exothermique : 41 kJ/mol, la réaction globale est donc endothermique et nécessite un appoint thermique de 90 kJ/mol qui lui est fourni par l'oxycombustion d'au moins une part de la biomasse végétale de base, dans le réacteur 10. Un système d'appoint en oxygène est avantageusement aménagé au niveau du réacteur 20 pour pallier à toute insuffisance énergétique.
Selon l'invention nous avons donc deux gaz différents qui sortent des réacteurs 10 et 20 :
- au réacteur 1 nous obtenons du CO par la réaction de Boudouard, et
- au réacteur 2 nous obtenons du CO2 et de I1H2 dans une proportion molaire respective et voisine de 1/3, 2/3. Ces gaz sont à très haute température, supérieure ou égale à
10000C à la sortie du réacteur 10 et environ 8000C à la sortie du réacteur 20, ils détiennent une capacité thermique importante. Ces gaz doivent être refroidis pour être épurés et séparés (notamment I1H2 du CO2) ils vont donc transiter, chaque flux séparément, par un échangeur thermique eau/gaz. L'eau introduite à l'échangeur est liquide, cela permet de déterminer la température adéquate et constante du flux de gaz qui échangera sa chaleur à cette eau. Au fur et à mesure de l'échange, l'eau est vaporisée et la vapeur monte en température (600/800 0C) c'est cette vapeur d'eau "surchauffée" à haute température qui sera introduite dans le foyer 20, en tant que deuxième effluent gazeux, pour y être désoxydée dans le réacteur 20. Ce faisant on récupère et recycle une grande part de l'énergie thermique mise en œuvre dans les réactions.
Les gaz sont ainsi refroidis aux températures d'usages pour leur filtration/épuration (aérosols transportés, carbones, H2O résiduelle...) et leur séparation, avant d'être mis en relation dans un système de catalyse dédié à la formulation définie de composés hydrocarbonés.
Le CO2 produit par la combustion et les réactions du combustible solide source est de préférence, selon l'invention, d'origine végétale (il est neutre vis-à-vis de la problématique des gaz à effet de serre puisque le végétal à renouveler absorbe son équivalent CO2 à la repousse). Sa liquéfaction (pour un usage industriel), sa séquestration, sa transformation en CO (comme substituant aux combustibles fossiles) permet de réduire d'autant la part des CO2 industriels d'origines fossiles rejetées à l'atmosphère. Son recyclage par le système selon l'invention porte à son maximum le rendement de conversion, de l'énergie "source" du combustible solide initial, en énergie rendue disponible par les composés hydrocarbonés de synthèse. L'enceinte E est réalisée de façon à répondre aux normes de températures des réacteurs 10 et 20. On peut considérer que les grilles 102 et 202 de chacun des réacteurs 10 et 20 divisent chacun des réacteurs en deux zones : une zone en amont de la grille et une zone en aval de la grille. Chacun des réacteurs reçoit la conduite d'entrée de l'effluent gazeux à traiter dans la zone amont et de sortie du flux gazeux obtenus dans la zone aval. Les zones amont comprennent aussi les injecteurs d'02- La zone amont du réacteur 10 comprend en outre l'ouverture d'admission 103 de la biomasse B. Les zones des réacteurs 10 et 20 aval comprennent les ouvertures d'extraction, respectivement 106 et 206, des premiers et deuxième flux gazeux 12 et 22 obtenus et les ouvertures d'évacuation, respectivement 107 et 207, des résidus R.
L'enceinte selon l'invention peut être appelée le « Réacteur à Carbone Végétal (RCV) ».
L'invention n'est bien sûr pas limitée à l'exemple d'application décrit ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de traitement d'un premier effluent gazeux (11) comprenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) et d'un deuxième effluent gazeux (21) comprenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O), ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- génération d'un premier flux gazeux (12) comprenant du monoxyde de carbone (CO) par passage dudit premier effluent gazeux (11) au travers d'une première couche de matière réactive oxydoréductrice (101) comprenant des éléments de carbone à haute température,
- génération d'un deuxième flux gazeux (22) comprenant essentiellement du dihydrogène (H2) par passage dudit deuxième effluent gazeux (21) au travers d'une deuxième couche oxydoréductrice de matière réactive (201) comprenant des éléments de carbone à haute température, et
- valorisation d'au moins l'un des premier et deuxième flux gazeux (12,22) ; au moins une partie de ladite deuxième couche oxydoréductrice (201) étant réalisée par transfert ou récupération d'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche (101).
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, lors du passage du deuxième effluent gazeux (21), contenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O), au travers de la deuxième couche (201) contenant des éléments de carbone à haute température :
- une réduction des molécules de vapeur d'eau (H2O) en présence desdits éléments de carbone à haute température, ladite réduction produisant des molécules de dihydrogène (H2), et - une oxydation d'au moins une partie desdits éléments de carbone à haute température, ladite oxydation produisant des molécules de dioxyde de carbone (CO2) ; le deuxième flux gazeux (22) comprenant essentiellement du dihydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO2). 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, lors du passage du premier effluent gazeux (11), contenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2), au travers de la première couche (101) contenant des éléments de carbone à haute température :
- une réduction des molécules de dioxyde de carbone (CO2) en présence desdits éléments de carbone à haute température, ladite réduction produisant des molécules de monoxyde de carbone (CO), et - une oxydation d'au moins une partie desdits éléments de carbone à haute température, ladite oxydation produisant des molécules de monoxyde de carbone (CO).
4) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un échange thermique d'au moins l'un des premier et deuxième flux gazeux (12,22) avec un flux caloporteur, ledit flux gazeux cédant au moins une partie de son énergie thermique audit flux caloporteur.
5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le flux caloporteur comprend de l'eau liquide (H2OL), l'échange thermique produisant un troisième flux gazeux (13, 23) comprenant de la vapeur d'eau (H2O) à haute température.
6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la vapeur d'eau (H2O) contenue dans le deuxième effluent gazeux (21) provient du troisième flux gazeux (13, 23).
7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une séparation du dioxyde de carbone (CO2) contenu dans le deuxième flux gazeux (22), ladite séparation fournissant un quatrième flux (25) gazeux comprenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une partie du dioxyde de carbone (CO2) présent dans le premier effluent gazeux (11) provient du quatrième flux gazeux (25).
9) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la première couche oxydoréductrice (101) est réalisée par combustion, en présence d'un comburant (O2), d'un combustible comprenant des éléments de carbone dans des conditions sous-stœchiométriques.
10) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le combustible solide comprend de la biomasse végétale (B).
11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la combustion est réalisée sous comburant dioxygène (O2), ledit comburant étant injecté au cœur de la première couche (101).
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de la première couche (101) est supérieure ou égale à 10000C.
13) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de la deuxième couche (201) est comprise entre 700 à 10000C.
14) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce q'il comprend une séparation des molécules de dihydrogène (H2) présent dans le deuxième flux gazeux (22), ladite séparation fournissant un cinquième flux gazeux (26) comprenant essentiellement du dihydrogène (H2).
15) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une synthèse de toute composition moléculaire hydrocarbonée à partir du dihydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO).
16) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une combustion de particules combustibles présentes dans au mois l'un des premier et deuxième effluent gazeux (11,21) lors du passage dudit effluent gazeux au travers de la première couche et/ou de la deuxième couche.
17) Système de recyclage d'un premier effluent gazeux (11) comprenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) et d'un deuxième effluent gazeux (21) comprenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O), ledit système comprenant une enceinte (E) comprenant :
- un premier réacteur (10) comprenant une première grille (102) supportant une première couche oxydoréductrice de matière réactive (101) comprenant des éléments de carbone à haute température, ladite première couche (101) étant traversée par ledit premier effluent gazeux (11) fournissant un premier flux gazeux (12) comprenant du monoxyde de carbone (CO), - un deuxième réacteur (20) comprenant une deuxième grille
(202) supportant une deuxième couche oxydoréductrice de matière réactive (201) comprenant des éléments de carbone à haute température, ladite deuxième couche (201) étant traversée par ledit deuxième effluent gazeux (21) fournissant un deuxième flux gazeux (22) comprenant du dihydrogène (H2), et
- des ouvertures d'extraction (106, 206) permettant d'extraire séparément lesdits premiers et deuxième flux gazeux de ladite enceinte (E). ledit système comprenant en outre des moyens de valorisation d'au moins l'un desdits premier et deuxième flux gazeux (12,22).
18) Système selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend une ouverture de communication (C) par laquelle les premier et deuxième réacteurs (10,20) communiquent entre eux de manière qu'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche (101) passe du premier réacteur (10) vers le deuxième réacteur (20) au travers de ladite ouverture de communication (C) pour former au moins une partie de la deuxième couche (201).
19) Système selon la revendication 18, caractérisé en ce que la première grille (102) supportant la première couche (101) se situe à un emplacement plus haut que la deuxième grille (202) supportant la deuxième couche (201), ladite première grille (102) étant sensiblement inclinée vers la deuxième grille (202), l'extrémité la plus basse de la première grille (102) se situant au niveau de l'ouverture de communication (C), de manière qu'au moins une partie des éléments de carbone à haute température de la première couche (101) s'écoule du premier réacteur (10) vers le deuxième réacteur (20) pour former la deuxième couche (201).
20) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que les première et deuxième grilles (102, 202) sont perméables aux premier ou deuxième flux gazeux (12, 22), chacune desdites grilles (102,202) séparant le réacteur (10,20) comprenant ladite grille (102, 202) en une première et deuxième zones, ladite première zone se situant au dessus de ladite grille (102, 202) et comprenant une ouverture d'introduction (105, 205) de l'effluent gazeux (11, 21)et ladite deuxième zone se situant en dessous de ladite grille (102, 202) et comprenant une ouverture d'extraction du flux gazeux (12, 22).
21) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que le premier réacteur (10) comprend une ouverture d'introduction (103), sur la première grille (102), d'un combustible (B) comprenant des éléments de carbone, la première couche (101) étant réalisée par combustion, en présence d'un comburant (O2), dudit combustible (B) dans des conditions sous-stœchiométriques.
22) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que chacun des premier et deuxième réacteurs (10, 20) comprend des moyens d'injection (104, 204) d'un comburant (O2) dans ledit réacteur (10,20).
23) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de récupération de résidus (R) provenant de chacun des premier et deuxième réacteurs (10, 20), lesdits résidus (R) étant évacués de chacun desdits réacteurs (10, 20) par une ouverture d'évacuation (107, 207) se situant dans le fond dudit réacteur (10, 20).
24) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 23, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un échangeur thermique (El, E2) réalisant un échange thermique d'au moins un desdits premier et deuxième flux (12, 22) avec un fluide caloporteur (H2OL).
25) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 24, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'eau (H2OL), ledit échangeur thermique (El, E2) fournissant un troisième flux gazeux (13, 23) comprenant essentiellement de la vapeur d'eau (H2O) à haute température, ledit système comprenant en outre un circuit d'amené d'au moins une partie du troisième flux gazeux (13, 23) dans le deuxième réacteur (20).
26) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 25, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de séparation (24) des différents composé gazeux du deuxième flux gazeux (22), ledit deuxième flux gazeux (22) comprenant du dihydrogène (H2) et du dioxyde de carbone (CO2) obtenu par oxydoréduction de la vapeur d'eau (H2O) en présence d'éléments de carbone à haute température, ladite séparation fournissant un quatrième flux gazeux (25) comprenant essentiellement du dioxyde de carbone (CO2) et un cinquième flux gazeux (26) comprenant essentiellement du dihydrogène (H2).
27) Système selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de d'amené d'au moins une partie du quatrième flux (25) dans le premier réacteur (10). 28) Système selon l'une quelconque des revendications 17 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de synthèse (30) de molécules hydrocarbonées à partir du dihydrogène (H2) et du monoxyde de carbone (CO).
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