WO2010052405A2 - Dispositif de sechage de biomasse solide et utilisation de ce dispositif - Google Patents

Dispositif de sechage de biomasse solide et utilisation de ce dispositif Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a solid biomass drying device and a use of this device.
  • a rotary kiln is a primary technique of solid gas contact and compact, known for average performance of biomass drying.
  • it has the advantage of tolerating coarse biomass and of being well adapted to papermaking chips but of being limited by fine sawdust contents.
  • US 2005/0274067 discloses a device for drying biomass as a fuel in a cement plant.
  • the cement raw material containing these biomasses is dried in a preheating section comprising a series of cyclone-type preheating stages, the raw material being introduced into the upper cyclone and the hot gas coming from a rotary kiln being introduced into the lower cyclone. drying is carried out against the current of solids and gases.
  • the upper cyclone type preheater receives the solids through a horizontal horizontal pipe also conveying the gas at the end of the gas loop and the solids separated from the gases flow from one cyclone to the other by a vertical pipe lower than the cyclones.
  • the lower cyclone preheater receives the hot gas through a lateral horizontal pipe at the beginning of the gas loop.
  • Such a drying device poses the following technical problems.
  • Such a drying device is very bulky, each cyclone having a diameter of the order of 10 meters and the total height of the series of cyclones being of the order of 80 meters, and can not be installed in any place.
  • Counter current drying applies exclusively to a cement plant where the supply of hot gas is at a low level.
  • the invention solves these technical problems and proposes a drying device specifically intended for biomass, which is compact and particularly integrated with a thermochemical conversion facility with a fast fluidized bed, while ensuring a strong mixing turbulence with hot gases.
  • the invention provides a solid biomass drying device comprising a plurality of cyclones arranged in series, a first cyclone comprises a hot gas supply pipe and a gas outlet pipe and the other cyclones comprise an inlet pipe and a gas outlet pipe, each cyclone having a lower vertical flow line of the solids towards the ceiling of the adjacent cyclone, characterized in that said hot gas supply pipe opens into the ceiling of the cyclone upper and said gas inlet pipe of the other cyclones also leads into the ceiling of the corresponding cyclone.
  • the invention also relates to a use of such a solid biomass drying device, characterized in that said hot gas is taken from flue gases or from synthesis gas at a temperature of about 600 to 700 ° C.
  • the invention finally relates to a use of such a solid biomass drying device, characterized in that inert solids are mixed with the biomass fed and are recovered at the outlet of the drying device to be recycled into the biomass fed.
  • Figure 1 is a schematic elevational view of a biomass drying device according to the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of detail of such a biomass drying device according to the invention.
  • Figure 3 is a top view of detail of such a biomass drying device according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of a fast fluidized bed thermochemical conversion plant equipped with a biomass drying device according to the invention.
  • a solid biomass drying device comprises a plurality of high speed cyclones arranged in series, five cyclones IA to IE according to the example represented, each cyclone comprising a lower part. conical and a cylindrical upper part.
  • a first cyclone IA comprises a hot gas supply pipe 2 and a gas outlet pipe 3A and the other cyclones IB to IE comprise an inlet pipe 4B to 4E and an outlet pipe 3B to 3E of the gas.
  • Each cyclone comprises a lower vertical pipe 5A to 5E of flow of solids to the ceiling of the adjacent cyclone, disposed on the axis of symmetry of the corresponding cyclone.
  • the hot gas supply pipe 2 opens into the ceiling of the upper cyclone IA and the inlet pipe 4B to 4E of the gas of the other cyclones also opens into the ceiling of the corresponding cyclone.
  • the feed pipe 2 and the inlet lines 4B to 4E of the gas are inclined, at least 20 ° with respect to the horizontal, in a last section in the upper part of the corresponding cyclone and with flow directed downwards.
  • the outlet pipe 3B to 3E of the gas is in turn disposed laterally to the conical portion of the corresponding cyclone and inclined downwards.
  • the biomass is fed into the upper cyclone IA by a vertical pipe 6 disposed on the axis of symmetry of this cyclone.
  • the plurality of cyclones IA to IE is arranged in a tower, their axes of symmetry being aligned in a line X. This arrangement minimizes the support frame.
  • the drying gas containing the evaporated moisture at the outlet of the last cyclone IE, discharged through the outlet pipe 3E, is directed to filtration and condensation for reuse of the water and then transfer to a downstream process of transformation or a discharge to the atmosphere after possible treatment of contained volatile substances.
  • FIGS 2 and 3 show in more detail the gas outlet and inlet lines between two cyclones IB and IC. In these figures also shown are the lower vertical pipes 5A and 5B corresponding solids flow.
  • the gas inlet pipe 4C opens into the roof of the cyclone IC near the periphery of the latter preferably by a slot in an arc of constant width.
  • the outer peripheral edge of this slot is disposed in continuity with the cylindrical wall of the cyclone IC, so as not to reduce the speed of the solids.
  • Cyclone IB has a lateral flue outlet pipe 3B, by its lower conical portion. Exit pipe 3B and inlet pipe 4C are connected in a single pipe having a minimum length connecting geometry for connecting the inclined lateral gas outlet pipe 3B through the lower cone of cyclone IB with the inlet pipe of 4C hot gas at cyclone ceiling following IC.
  • the inclined exit pipe section 3B is followed by a vertical travel pipe section 7 and the inclined inlet pipe section 4C.
  • an angle of 45 ° in a horizontal projection plane is provided between the inclined lateral outlet pipe section 3B of cyclone IB and the inclined inlet pipe section 4C on the ceiling of adjacent cyclone IC.
  • the hot gas introduced into the feed pipe 2 is taken from gases from a combustion plant, for example air combustion, oxy-fuel combustion or thermochemical cycle, or on synthesis gas, at a temperature of about 600 to 700 ° C.
  • inert solids that can act as coolants for example sands, clays, circulating ashes or minerals, are mixed with the biomass fed by the pipe 6 and are recovered at the outlet of the drying device, separated by partial sieving of the dried biomass, for recycling into the biomass to be dried fed at the top of the drying device, as illustrated by a dotted line 16 in FIG.
  • This loop of inert solids mixed with the biomass to be dried with the hot gases favors the rinsing flows of the sheaths, between the successive cyclones and increases the contact with the biomass to accelerate the kinetics of drying.
  • FIG. 4 illustrates an example of use of this solid biomass drying device.
  • This solid biomass drying device comprising for example two cyclones IA and IB in series, is installed in a fast fluidized bed loop comprising a reactor 10, an associated separation cyclone 11 and a return line 12 of the solids of this cyclone. to the reactor, the hot gas supply pipe 2 being fed with gases drawn at the outlet of the separation cyclone 11.
  • the dried biomass is fed via line 6 and at the outlet of the drying device, discharged via line 5B, is injected into the bottom of reactor 10.
  • the drying gas containing the moisture evaporated at the outlet of the last cyclone IB is discharged via the pipe 15.
  • Solids are withdrawn from the return pipe 12 and, after cooling by an exchanger 13 at a temperature of about 600 0 C to 700 0 C, are mixed by means of a pipe 14 biomass supplied to the drying device via line 6.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de séchage de biomasse solide comportant une pluralité de cyclones (1A à 1E) disposés en série, chaque cyclone comportant une partie inférieure conique, dont un premier cyclone (1A) comporte une conduite d'alimentation en gaz chaud (2) et une conduite de sortie du gaz (3A) et dont les autres cyclones (1B à 1E) comportent une conduite d'entrée (4B à 4E) et une conduite de sortie (3B à 3E) du gaz, chaque cyclone comportant une conduite verticale inférieure (5A à 5E) d'écoulement des solides vers le plafond du cyclone adjacent. Selon l'invention, ladite conduite d'alimentation en gaz chaud (2) débouche dans le plafond du cyclone supérieur (1A) et ladite conduite d'entrée du gaz (4B à 4E) des autres cyclones débouche également dans le plafond du cyclone correspondant.

Description

DISPOSITIF DE SECHAGE DE BIOMASSE SOLIDE ET UTILISATION DE CE DISPOSITIF
L'invention concerne un dispositif de séchage de biomasse solide et une utilisation de ce dispositif.
Dans le contexte du changement climatique et de l'imposition de quotas d'émissions de dioxyde de carbone émis par les installations industrielles et notamment de production d'énergie à base de combustibles fossiles solides, il apparaît que la capture et le stockage de dioxyde de carbone qui est envisagé à moyen et long terme pour les installations de grande taille seront insuffisants pour répondre au facteur quatre de division des émissions de dioxyde de carbone en 2050.
La capture et le stockage de dioxyde de carbone devront être complétés par l'utilisation de biomasses agricoles et forestières pour les installations de capacité moyenne et inférieure qui sont à même de collecter ces biomasses dans une zone géographique limitée. Ces biomasses d'origine naturelle présentent l'inconvénient de fortes teneurs en humidité, ce qui a un effet pénalisant sur les rendements des installations de conversion tant de combustion que de gazéification. Sachant que des efforts technologiques doivent être apportés sur toutes les étapes de la conversion thermochimique de la biomasse, il est nécessaire d'améliorer les performances de l'étape de séchage et d'éviter que le séchage ne soit émetteur d'émissions spécifiques de dioxyde de carbone.
Il est connu dans les industries utilisatrices de biomasses du type fabrication des panneaux de particules, d'effectuer ce séchage en four tournant, alimenté par des fumées produites par des générateurs alimentés au gaz naturel. Ces fumées permettent de réduire l'humidité de départ des biomasses, qui est de 55 à 60 %, à environ 20 à 25 %, au prix d'une consommation énergétique chère et génératrice de dioxyde de carbone.
L'utilisation d'un four tournant est une technique primaire de contact gaz solides et peu compacte, connue pour des performances moyennes de séchage de biomasse. Elle possède par contre l'avantage de tolérer des biomasses grossières et d'être bien adaptée à des copeaux papetiers mais d'être limitée par les teneurs en sciures fines.
Il existe par ailleurs des technologies en développement pour le séchage de lignite à haute teneur en humidité qui sont réalisées en lit fluidisé dense possédant des échangeurs immergés parcourus par de la vapeur. Mais ces technologies sont adaptées à du lignite de faible granulométrie, destiné à une combustion à l'état pulvérisé très fin.
Le document de brevet US 2005/0274067 décrit un dispositif de séchage de biomasse en tant que carburant dans une installation de cimenterie. Le cru de cimenterie contenant ces biomasses est séché dans une section de préchauffage comportant une série d'étages de préchauffage de type cyclones, le cru étant introduit dans le cyclone supérieur et le gaz chaud provenant d'un four tournant étant introduit dans le cyclone inférieur, le séchage se réalisant à contre courant des solides et des gaz.
Le préchauffeur de type cyclone supérieur reçoit les solides par une conduite horizontale latérale amenant également le gaz en fin de boucle gazeuse et les solides séparés des gaz s'écoulent d'un cyclone à l'autre par une conduite verticale inférieur aux cyclones. Le préchauffeur de type cyclone inférieur reçoit le gaz chaud par une conduite horizontale latérale en début de boucle gazeuse.
Un tel dispositif de séchage pose les problèmes techniques suivants. Un tel dispositif de séchage est très encombrant, chaque cyclone ayant un diamètre de l'ordre de 10 mètres et la hauteur totale de la série de cyclones étant de l'ordre de 80 mètres, et ne peut être installé en tout lieu. Le séchage à contre courant s'applique exclusivement à une installation de type cimenterie où l'alimentation en gaz chaud est en partie basse.
L'invention résout ces problèmes techniques et propose un dispositif de séchage spécifiquement destiné à la biomasse, qui soit compact et particulièrement intégré à une installation de conversion thermochimique à lit fluidisé rapide, tout en assurant une forte turbulence de mélange avec des gaz chauds.
Pour ce faire, l'invention propose un dispositif de séchage de biomasse solide comportant une pluralité de cyclones disposés en série, dont un premier cyclone comporte une conduite d'alimentation en gaz chaud et une conduite de sortie du gaz et dont les autres cyclones comportent une conduite d'entrée et une conduite de sortie du gaz, chaque cyclone comportant une conduite verticale inférieure d'écoulement des solides vers le plafond du cyclone adjacent, caractérisé en ce que ladite conduite d'alimentation en gaz chaud débouche dans le plafond du cyclone supérieur et ladite conduite d'entrée du gaz des autres cyclones débouche également dans le plafond du cyclone correspondant.
Pour améliorer les rendements de conversion thermochimique des biomasses et réduire leur humidité à environ 10 % , humidité équivalente à celle de combustibles fossiles solides de type charbon, il est nécessaire d'effectuer un séchage mettant en œuvre une forte turbulence de mélange avec des gaz chauds contenant de l'oxygène et éventuellement des solides, sans toutefois enflammer ces biomasses et assurer un temps de séjour suffisant pour ces migrations d'humidité dans les particules poreuses de biomasse qui auront été préparées en granulométrie. Une amélioration de performances exige de réduire le spectre granulométrique des biomasses en entrée pour contrôler leur temps de séjour et le rendre homogène. La compacité du dispositif de séchage est essentielle pour réduire les coûts d'investissement.
L'invention concerne également une utilisation d'un tel dispositif de séchage de biomasse solide, caractérisée en ce que ledit gaz chaud est prélevé sur des fumées de combustion ou sur du gaz de synthèse à une température d'environ 600 à 700 0C. L'invention concerne enfin une utilisation d'un tel dispositif de séchage de biomasse solide, caractérisée en ce que des solides inertes sont mélangés à la biomasse alimentée et sont récupérés en sortie du dispositif de séchage pour être recyclés dans la biomasse alimentée.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention.
La figure 1 est une vue schématique en élévation d'un dispositif de séchage de biomasse conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue en perspective de détail d'un tel dispositif de séchage de biomasse conforme à l'invention. La figure 3 est une vue de dessus de détail d'un tel dispositif de séchage de biomasse conforme à l'invention.
La figure 4 est une vue schématique en plan d'une installation de conversion thermochimique à lit fluidisé rapide équipé d'un dispositif de séchage de biomasse conforme à l'invention. Comme illustré sur la figure 1, un dispositif de séchage de biomasse solide, conforme à l'invention, comporte une pluralité de cyclones à haute vitesse disposés en série, cinq cyclones IA à IE selon l'exemple représenté, chaque cyclone comportant une partie inférieure conique et une partie supérieure cylindrique. Un premier cyclone IA comporte une conduite d'alimentation en gaz chaud 2 et une conduite de sortie du gaz 3A et les autres cyclones IB à IE comportent une conduite d'entrée 4B à 4E et une conduite de sortie 3B à 3E du gaz. Chaque cyclone comporte une conduite verticale inférieure 5A à 5E d'écoulement des solides vers le plafond du cyclone adjacent, disposée sur l'axe de symétrie du cyclone correspondant.
La conduite d'alimentation 2 en gaz chaud débouche dans le plafond du cyclone supérieur IA et la conduite d'entrée 4B à 4E du gaz des autres cyclones débouche également dans le plafond du cyclone correspondant.
La conduite d'alimentation 2 et les conduites d'entrée 4B à 4E du gaz sont inclinées, d'au moins 20° par rapport à l'horizontale, dans un dernier tronçon en partie haute du cyclone correspondant et à écoulement dirigé vers le bas La conduite de sortie 3B à 3E du gaz est quant à elle disposée latéralement à la partie conique du cyclone correspondant et inclinée vers le bas.
La biomasse est alimentée dans le cyclone supérieur IA par une conduite verticale 6 disposée sur l'axe de symétrie de ce cyclone. La pluralité de cyclones IA à IE est disposée en une tour, leurs axes de symétrie étant alignés en une droite X. Cet agencement minimise la charpente de support.
Le gaz de séchage contenant l'humidité évaporée à la sortie du dernier cyclone IE, évacué par la conduite de sortie 3E, est dirigé vers une filtration et une condensation pour une réutilisation de l'eau puis un transfert vers un procédé aval de transformation ou un rejet à l'atmosphère après traitement éventuel de substances volatiles contenues.
Les figures 2 et 3 représentent plus en détail les conduites de sortie et d'entrée du gaz entre deux cyclones IB et IC. Sur ces figures sont également représentées les conduites verticales inférieures 5A et 5B d'écoulement des solides correspondants.
La conduite d'entrée du gaz 4C débouche dans le plafond du cyclone IC à proximité de la périphérie de ce dernier de préférence par une fente en arc de cercle, de largeur constante. Le bord périphérique externe de cette fente est disposé en continuité avec la paroi cylindrique du cyclone IC, afin de ne pas réduire la vitesse des solides.
Le cyclone IB comporte une conduite de sortie des fumées latérale 3B, par sa partie conique inférieure. Conduite de sortie 3B et conduite d'entrée 4C sont raccordées en une conduite unique qui présente une géométrie de liaison à longueur minimum pour raccorder la conduite de sortie latérale inclinée 3B de gaz par le cône inférieur du cyclone IB avec la conduite d'entrée de gaz chaud 4C au plafond du cyclone suivant IC. Le tronçon de conduite de sortie inclinée 3B est suivie d'un tronçon de conduite de course verticale 7 puis du tronçon de conduite d'entrée inclinée 4C. De préférence, un angle de 45° dans un plan horizontal de projection est aménagé entre le tronçon de conduite de sortie latérale inclinée 3B du cyclone IB et le tronçon de conduite d'entrée inclinée 4C au plafond du cyclone adjacent IC.
Selon une utilisation préférée de ce dispositif de séchage de biomasse solide, le gaz chaud introduit dans la conduite d'alimentation 2 est prélevé sur des gaz issus d'une installation de combustion, par exemple combustion à l'air, oxycombustion ou cycle thermochimique, ou sur du gaz de synthèse, à une température d'environ 600 à 700 0C.
Avantageusement, pour améliorer la mise en contact des gaz chauds avec la biomasse à sécher, des solides inertes pouvant jouer le rôle de caloporteur, par exemple des sables, des argiles, des cendres circulantes ou des minéraux, sont mélangés à la biomasse alimentée par la conduite 6 et sont récupérés en sortie du dispositif de séchage, séparés par tamisage partiel de la biomasse séchée, pour être recyclés dans la biomasse à sécher alimentée en tête du dispositif de séchage, comme illustré par une ligne pointillée 16 en figure 1.
Cette boucle de solides inertes mélangés à la biomasse à sécher avec les gaz chauds favorise les écoulements par rinçage des gaines, entre les cyclones successifs et augmente le contact avec la biomasse pour accélérer la cinétique de séchage.
La figure 4 illustre un exemple d'utilisation de ce dispositif de séchage de biomasse solide. Ce dispositif de séchage de biomasse solide, comportant par exemple deux cyclones IA et IB en série, est installé dans une boucle à lit fluidisé rapide comportant un réacteur 10, un cyclone de séparation 11 associé et une conduite de retour 12 des solides de ce cyclone vers le réacteur, la conduite d'alimentation 2 en gaz chaud étant alimenté par des gaz soutirés en sortie du cyclone de séparation 11.
La biomasse séchée est alimentée par la conduite 6 et en sortie du dispositif de séchage, évacuée par la conduite 5B, est injectée dans le bas du réacteur 10. Le gaz de séchage contenant l'humidité évaporée à la sortie du dernier cyclone IB, est évacué par la conduite 15. Des solides sont soutirés de la conduite de retour 12 et, après refroidissement par un échangeur 13 à une température d'environ 6000C à 700 0C, sont mélangés au moyen d'une conduite 14 à la biomasse alimentée au dispositif de séchage, par la conduite 6.

Claims

REVEN DICATIONS
1. Dispositif de séchage de biomasse solide comportant une pluralité de cyclones (IA à IE) disposés en série, chaque cyclone comportant une partie inférieure conique, dont un premier cyclone
(IA) comporte une conduite d'alimentation en gaz chaud (2) et une conduite de sortie du gaz (3A) et dont les autres cyclones (IB à IE) comportent une conduite d'entrée (4B à 4E) et une conduite de sortie (3B à 3E) du gaz, chaque cyclone comportant une conduite verticale inférieure (5A à 5E) d'écoulement des solides vers le plafond du cyclone adjacent, caractérisé en ce que ladite conduite d'alimentation en gaz chaud (2) débouche dans le plafond du cyclone supérieur (IA) et ladite conduite d'entrée du gaz (4B à 4E) des autres cyclones débouche également dans le plafond du cyclone correspondant.
2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite conduite d'alimentation (2) et lesdites conduites d'entrée (4B à 4E) du gaz sont inclinées dans un dernier tronçon en partie haute du cyclone correspondant et à écoulement dirigé vers le bas.
3. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite inclinaison est d'au moins 20° par rapport à l'horizontale.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite conduite de sortie du gaz (3B à 3E) est disposée latéralement à ladite partie conique du cyclone et inclinée vers le bas.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la biomasse est alimentée dans ledit cyclone supérieur (IA) par une conduite verticale (6) disposée sur l'axe de symétrie de ce cyclone.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite pluralité de cyclones (IA à IE) est disposée en une tour, leurs axes de symétrie (X) étant alignés.
7. Utilisation d'un dispositif de séchage de biomasse solide selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit gaz chaud est prélevé sur des gaz issus d'une installation de combustion ou sur du gaz de synthèse, à une température d'environ 600 à 700 0C.
8. Utilisation d'un dispositif de séchage de biomasse solide selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que des solides inertes sont mélangés à la biomasse alimentée et sont récupérés en sortie du dispositif de séchage pour être recyclés dans la biomasse alimentée.
9. Utilisation d'un dispositif de séchage de biomasse solide selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en qu'il est installé dans une boucle à lit fluidisé rapide comportant un réacteur (10), un cyclone de séparation associé (11) et une conduite de retour des solides (12) de ce cyclone vers le réacteur, ladite conduite d'alimentation en gaz chaud (2) étant alimenté par des gaz soutirés en sortie dudit cyclone de séparation (11).
10. Utilisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la biomasse séchée en sortie du dispositif de séchage est injectée dans ledit réacteur (10).
11. Utilisation selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que des solides sont soutirés de ladite conduite de retour (12) et sont mélangés à la biomasse alimentée au dispositif de séchage.
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