WO2021123693A1 - Installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant, en aval du réacteur de gazéification, un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides. procédé associé de fonctionnement de l'installation. - Google Patents

Installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant, en aval du réacteur de gazéification, un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides. procédé associé de fonctionnement de l'installation. Download PDF

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Serge Ravel
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Syctom L'agence Metropolitaine Des Dechets Menagers
Syndicat Interdepartemental Pour L'assainissement De L'agglomeration Parisienne
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Definitions

  • the present invention relates to the field of the thermochemical conversion of biomass and more particularly to the hydrothermal gasification of biomass.
  • the main objective of the invention is to improve the extraction of inorganics and solid particles in a process of supercritical water gasification of carbon resources.
  • biomass is meant here and in the context of the invention, all organic materials used for energy or agronomic purposes.
  • organic matter is meant all living matter, whether it is materials of plant origin including organic waste from agriculture and forestry: agricultural waste, food residues, wood, roots, leaves. .., household or industrial organic waste, sludge from wastewater treatment plants, etc., methanization digestates, fungi and materials of animal origin (animal manure, etc.) and other agricultural activity residues.
  • Hydro thermal gasification also called supercritical water
  • supercritical water is a technology for converting wet biomass allowing the treatment of residues and organic waste. It uses water, contained in the biomass, heated under supercritical conditions as a reaction medium to produce a synthesis gas rich in methane.
  • Hydrothermal gasification relates more particularly to very humid biomasses, typically with a humidity level of over 70%, which therefore does not need to be dried beforehand. Reaction temperatures are relatively low, typically at most 700 ° C.
  • Damp or even very damp bioresources with a humidity level of over 70%, also represent an energy potential. This involves recovering residues from different origins: residues from the agro-food industry, agricultural residues, residues from the paper industry such as black liquor, sludge from wastewater treatment plants and their anaerobic digestion, digestate from methanization of household waste. It may also be interesting to enhance the wet biomass, such as algae (microalgae or macroalgae).
  • bioresources contain a large fraction of water, commonly between 70 and 90%.
  • thermochemical conversion by hydrothermal means the organic matter contained in the resource is converted into synthesis gas, fuel oils or recoverable liquids, with water in the role at the same time. of reaction medium and reagent.
  • the hydrothermal gasification process takes advantage of the particular properties of water under so-called supercritical conditions.
  • the organic matter is hydrolyzed and leads in particular to the formation of energetic fuel gases (PL, CTL , C2H6 ).
  • the different bioresources also contain, depending on the case, a more or less high load of inorganic materials that need to be treated in the processes selected.
  • inorganic materials cause problems of fouling or even clogging of the various components constituting thermochemical conversion facilities such as the reactor, filters, phase separator, valves, etc.
  • thermochemical conversion processes such as the digestates of sewage plant sludge (WWTP) and household waste, contain a significant fraction of inorganic matter, typically up to more than 50% of the dry matter.
  • This inorganic material can be classified into two distinct categories of constituents:
  • One solution may consist in extracting the precipitates once they have returned to a soluble state (we then speak of brine), under so-called subcritical conditions, to facilitate the flow through isolation bodies, essentially valves, between the high pressure part of the process and the low pressure. This solution is described in particular in patent application EP3476468A1.
  • the rest of the inorganic material i.e. the constituents other than the constituents soluble in the resource, is therefore present, depending on the bioresources, in the form of small particles, typically from a few microns to a few millimeters. These may include particles of silica and different metals.
  • the residual aqueous flow resulting from the gasification of the organic matter contained in the methanization codigestate of residual organic fraction and sludge contains a significant amount of these inorganic solid particles in suspension.
  • Expansion valves using so-called needle technology, conventionally used in hydrothermal gasification installations for the imperative implementation of the step of expansion of the residual flow resulting from gasification, from gasification pressure to atmospheric pressure, do not tolerate the presence of these inorganic solid particles in suspension. It is therefore essential to collect them before passing through these expansion valves or to consider another technological solution.
  • the aim of the invention is to at least partially meet this need.
  • the invention relates, in one of its aspects, to an installation for the hydrothermal gasification of biomass, comprising:
  • a system for reducing the aqueous flow tolerating the presence of solid particles connected downstream of the reactor, comprising at least two fluidic branches in parallel, each of the branches comprising:
  • the two-way valves are motorized valves.
  • the two-way valves being ball valves, preferably spherical.
  • each lock is adapted to form a settling tank.
  • the invention also relates to a method of operating an installation described above, comprising the following successive steps: i / in one of the two branches, called the first branch, opening of the upstream valve while the downstream valve is closed so as to fill. the airlock of a volume of high pressure aqueous residual flow coming from the gasification reactor, and simultaneously, in the other of the two branches, called the second branch, opening of the downstream valve while the upstream valve is closed so as to drain a volume of residual aqueous flow present in the airlock to a pressure zone substantially at atmospheric pressure; ii / in the second branch, opening of the upstream valve while the downstream valve is closed so as to fill the airlock with a volume of high pressure aqueous residual flow coming from the gasification reactor, and simultaneously, in the first branch, opening of the downstream valve while the upstream valve is closed so as to drain a volume of aqueous residual flow present in the lock to a pressure zone substantially at atmospheric pressure; steps i / and ii / being performed alternately.
  • the latency time between steps i / and ii / and vice versa between steps ii / and i / is to be adjusted as a function of the volume of the locks and the flow rate.
  • This latency time can advantageously be used to allow part of the particles to settle, depending on the latency period and the size of the particles.
  • steps i / and ii / are carried out such that the volumes filling the locks and discharged to the pressure zone substantially at atmospheric pressure correspond to the full volumes of the locks.
  • steps i / and ii / is carried out at time intervals of between 5 and 50 times per hour for an aqueous residual flow of between 1 and 10 kg / h.
  • This advantageous range corresponds to airlocks with a capacity equal to 100ml and considering that the density of the solution which passes through is close to 1. It goes without saying that this range depends on the volume of the airlocks and therefore on the density of the solution which passes through. .
  • the method comprises, between steps i / and ii /, a step of removing the solid particles settled in the locks.
  • the aqueous residual stream coming from the gasification reactor is at pressures of between 250 and 300 bars.
  • the invention proposes to replace the treatment stage by filtration and expansion of the residual aqueous flow post gasification which is loaded with inorganic solid particles as according to the state of the art, by a fluidic double branch system with two valves. channels and interposed airlock whose alternate control will depressurize the aqueous flow laden with particles in the airlock.
  • the alternating operation of the two fluidic branches will allow solid particles to pass from the part of the installation operating at high pressure to its downstream part at low pressure.
  • the concentration of the particles is sufficiently moderate, typically of the order of 5 to 10%, the remainder consisting of an aqueous phase slightly enriched in organics and soluble salts, to be able to use standard equipment available on the market.
  • the operation of the system according to the invention is facilitated by the presence of carbon dioxide resulting from the gasification of the organic material. Indeed, the expansion of CO2 during its flow in the system will make it pass from its liquid state (high pressure) to its gaseous state (low pressure). This change in physical state will induce a phenomenon of hunting of the aqueous flow of the airlock concerned.
  • the treatment system according to the invention is therefore simple, efficient and easy to implement in any hydro-thermal gasification installation.
  • the system may have more fluidic branches in parallel.
  • other branches in parallel can be implemented to pass higher flow rates while avoiding “water hammer” phenomena when the valves are opened from the high pressure zone to the airlocks, which would present in this variant of smaller volumes.
  • having more fluidic branches can also make it possible to carry out maintenance on one of them while ensuring the operation of the process by the other active fluidic branches.
  • a maintenance can relate to a purge of the particles which would have settled in the airlock. It is conceivable that this purging is carried out by means of a specific tapping which could be activated by manual removal of a plug, for example.
  • the invention relates to the application of the installation described above, or of the operating method described above, for the gasification of wet organic biomasses comprising solid inorganic particles.
  • FIG. 1 is a schematic view of a hydro-thermal biomass gasification installation according to the state of the art.
  • FIG IA is a schematic view showing in detail the stage of filtration and expansion of the aqueous flow loaded with particles according to the state of the art, as it is installed in the installation according to Figure 1.
  • FIG 2 is a schematic view of a hydro thermal biomass gasification plant according to the invention.
  • FIG 2A is a schematic view showing in detail the treatment system of the residual aqueous flow according to the invention, as it is located in the installation according to Figure 2.
  • FIG 3A is a schematic view showing a first step in the operation of the treatment system according to the invention.
  • FIG 3B is a schematic view showing a second step in the operation of the treatment system according to the invention.
  • FIG 4 represents in the diagram of the phases of carbon dioxide its passage from the liquid state to the gaseous state during its flow in the treatment system according to the invention.
  • Figures 1 and IA relate to an example of a hydro thermal gasification installation according to the state of the art.
  • the zones ZI and Z3 in light dotted lines represent the low pressure zones of hydrothermal gasification installations, typically at atmospheric pressure, while the zone Z2 in black dotted lines is a high pressure zone, typically included between 250 and 300 bars.
  • FIG 1 An example of installation 1 according to the state of the art in which the hydrothermal gasification is carried out in a gasification reactor 2.
  • a material storage stage 3 feeds through a pumping and injection stage 4, the gasification reactor 2.
  • the storage stage 3 comprises a water storage tank 30 and a storage tank for the biomass solution to be gasified which are connected by two-way valves 32, 33 respectively to a common mixing and supply line.
  • the feed pump 40 sucks the aqueous mixture thus formed to feed, through a two-way valve 41, the gasification reactor 2.
  • the products obtained are separated in a separation stage 5 between fuel gases among which, among others, 3 ⁇ 4, CtL and aqueous phase loaded with solid inorganic particles, such as particles of silica or of different metals.
  • stage 5 comprises an outlet tank 50 in which the aqueous phase is discharged from the bottom to a filtration and expansion stage 6 while the combustible gases are discharged from above to an expansion stage 7.
  • each of the stages 6, 7 comprises an expansion valve, respectively 60, 70.
  • a separation stage 8 between CO2 in the gaseous state and the aqueous stream laden with solid particles is arranged downstream of the filtration and expansion stage 6.
  • this stage 8 comprises an evacuation tank in which the CO2 in the gaseous state is evacuated from the top through the opening of a two-way valve 81, while the aqueous flow loaded with solid particles is evacuated by the bottom by opening a two-way valve 82.
  • the filtration and expansion stage 6 is illustrated in detail in Figure IA.
  • the expansion valve 60 is of the needle type which internally delimits an extremely small aqueous flow passage space, typically of a size of the order of a tenth of a mm. This requires G the use of a filter 61 upstream to filter the solid particles so as not to block the expansion valve 60. This problem does not arise for the expansion valve 70 which performs the expansion of the combustible gases which constitute a fluid. uncluttered.
  • a major drawback is that the solid particle trap in the filter 61 can be quickly saturated due to the large amount of these materials. It then becomes necessary to purge the filter 61.
  • the in situ extraction of a very concentrated flow of solid matter from the high pressure of the zone Z2 towards atmospheric pressure is also problematic due to the fouling and the valve wear.
  • the inventors have thought of replacing the expansion valve 60 coupled to the filter 61 upstream by a treatment system 6 illustrated in FIGS. 2 and 2A.
  • This system 6 comprises two parallel fluid branches 62, 63 connected upstream to the separation stage 5 and downstream to the separation stage 8.
  • Each of the two branches 62, 63 comprises two two-way valves 64, 68 and 65, 69, respectively, between which is arranged a reservoir forming an airlock, respectively 66 and 67.
  • the two-way valves 64, 68 and 65, 69 are motorized. and preferably constituted by valves, called “journal”, with a ball valve. These valves have the advantage of offering a large flow section and are therefore not very sensitive to clogging.
  • the seals which provide a seal at the level of the internal movable member which blocks or allows the passage of the aqueous flow are nevertheless sensitive to abrasion.
  • the seals of the valves are made of a very hard material, such as polyetheretherketone (PEEK), in order to extend their life.
  • PEEK polyetheretherketone
  • Airlocks 65 and 67 receive the high pressure aqueous flow and subsequently transfer it to the low pressure zone Z3.
  • Airlocks 65 and 67 are mechanically dimensioned tanks with respect to the pressure constraints of the installation. Their volume is adapted to the flow to pass through the installation.
  • Step ii / As illustrated in FIG. 3B, the downstream valve 68 of the branch 62 opens, which causes the emptying of the lock 66 previously filled with the high pressure aqueous flow, drained to a zone Z3 where the pressure is close to the atmospheric pressure. Simultaneously, the upstream valve 65 of the branch 63 opens and the airlock 67 of this branch is filled with the high pressure aqueous flow.
  • the motorized opening and closing of the two-way valves 62, 68 and 65, 69 is carried out by a control unit as a function of the high pressure aqueous flow which is produced and discharged from the gasification reactor 2.
  • the aforementioned steps i / and ii / take place at a rate which makes it possible, also depending on the volume of the locks 66 and 67, to evacuate the flow treated in the gasification reactor 2.
  • a residual flow of 10 kg / h with locks 66 and 67 each with a capacity of 100 ml step i / is repeated 50 times alternating with step ii / which is also repeated 50 times per hour, i.e. 100 fillings of the airlocks in total for a rate of one filling every 38 seconds.
  • the CO2 in zone Z2 changes from the liquid state, under the gasification pressure conditions between 250 and 300 bars, to the gaseous state when filling of the gasifier begins. each of the airlocks and especially when emptying to zone Z3. This change of state causes a flush or in other words an expulsion of the liquid stored with the CO2.
  • the inventors carried out tests during continuous gasification of an anaerobic digestion digestate of residual organic fraction, filtered at a size of 600 ⁇ m.
  • the gasification in the reactor 2 took place at a pressure of approximately 270 bars and the post-gasification aqueous flow, loaded with inorganic particles was then expanded to a pressure close to atmospheric pressure using the system 6 according to the invention.
  • the gasification test of the anaerobic digestion digestate was maintained for 3 hours and the system 6 according to the invention fulfilled its functions perfectly during this period.

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Abstract

Installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant, en aval du réacteur de gazéification, un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides. Procédé associé de fonctionnement de l'installation. L'invention concerne une installation (1) de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant: - un réacteur de gazéification (2) adapté pour mettre en œuvre une gazéification hydrothermale; - un système (6) de détente du flux aqueux tolérant la présence t de particules solides, relié en aval du réacteur, comprenant au moins deux branches fluidiques (62; 63) en parallèle, chacune des branches comprenant : • au moins deux vannes à deux voies (64, 68; 65, 69), • au moins un réservoir formant un sas (66; 67), agencé entre les deux vannes à deux voies. Elle concerne également le procédé de fonctionnement associé.

Description

Description
Titre : Installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant, en aval du réacteur de gazéification, un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides. Procédé associé de fonctionnement de l’installation.
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la conversion thermochimique de biomasse et plus particulièrement de la gazéification hydrothermale de la biomasse.
L’invention vise principalement à améliorer l’extraction des inorganiques et particules solides dans un procédé de gazéification en eau supercritique de ressources carbonées.
Par « biomasse», on entend ici et dans le cadre de l’invention, l’ensemble des matières organiques utilisées à des fins énergétiques ou agronomiques.
On entend par « matière organique » l’ensemble de la matière vivante, que ce soit les matières d’origine végétale comprenant les déchets organiques issus de l’agriculture et de la sylviculture : déchets agricoles, résidus alimentaires, bois, racines, feuilles..., les déchets organiques ménagers ou industriels, les boues des stations d’épuration..., les digestats de méthanisation, les champignons et les matières d’origine animale (fumier animal...) et autres résidus d’activité agricole.
La gazéification hydro thermale, aussi appelée, en eau supercritique, est une technologie de conversion de biomasses humides permettant le traitement de résidus et de déchets organiques. Elle utilise l’eau, contenue dans la biomasse, portée en conditions supercritiques comme milieu réactionnel pour produire un gaz de synthèse riche en méthane.
La gazéification hydrothermale concerne plus particulièrement des biomasses très humides, typiquement avec un taux d’humidité de plus de 70 %, qu'il n'est donc pas nécessaire de sécher au préalable. Les températures de réaction sont relativement basses, typiquement au maximum de 700 °C.
Par « eau supercritique », il est entendu le sens usuel, c’est-à-dire de l'eau à des températures supérieures à 374°C sous une pression supérieure à 22,1 MPa.
Technique antérieure
Dans le contexte du développement durable, la valorisation de toutes les bioressources à des fins énergétiques et de chimie verte est à envisager.
La valorisation des biomasses lignocellulosiques sèches, typiquement avec un taux d’humidité inférieur à 50%, comme le bois, les résidus agricoles ou les déchets secs est déjà à un stade industriel.
Les bioressources humides voire très humides, avec un taux d’humidité supérieur à 70%, représentent également un potentiel énergétique. Il s’agit de valoriser des résidus de différentes origines : résidus de l’industrie agro-alimentaire, résidus agricoles, résidus de l’industrie papetière tels que la liqueur noire, boues de station d’épuration et leur digestat de méthanisation, digestat de méthanisation d’ordures ménagères. Il peut être aussi intéressant de valoriser la biomasse humide, comme par exemple les algues (micro-algues ou macro algues).
Ces bioressources contiennent une fraction importante d’eau, communément entre 70 et 90%.
Un des procédés prometteurs pour ce type de biomasse consiste à réaliser la conversion thermochimique par voie hydrothermale : la matière organique contenue dans la ressource est convertie en gaz de synthèse, huiles combustibles ou en liquides valorisables, avec l’eau dans le rôle à la fois de milieu réactionnel et de réactif.
En particulier, le procédé de gazéification hydrothermale tire profit des propriétés particulières de l’eau en conditions dîtes supercritiques. Lorsque l’on se place dans de telles conditions, la matière organique est hydrolysée et conduit notamment à la formation de gaz combustibles énergétiques (PL, CTL, C2H6 ...).
Cependant, les différentes bioressources contiennent aussi selon les cas une charge plus ou moins élevée de matières inorganiques qu’il est nécessaire de traiter dans les procédés retenus. En effet, les matières inorganiques engendrent des problématiques d’encrassement voire d’obturation des différents organes constituant les installations de conversion thermochimique comme le réacteur, les filtres, séparateur de phase, vannes etc.
Plus particulièrement, les nouvelles ressources considérées comme d’intérêt pour les procédés de conversion thermochimique, comme les digestats de boues de station d’épuration (STEP) et d’ordures ménagères, contiennent une fraction importante de matière inorganique, typiquement jusqu’à plus de 50% de la matière sèche.
On peut classer cette matière inorganique en deux catégories distinctes de constituants:
- celle pour laquelle les constituants sont solubilisés dans la ressource et qui vont précipiter dans l’eau supercritique ;
- celle pour laquelle les constituants sont présents à l’état solide dans la ressource et qui vont le rester tout au long du procédé de gazéification hydro thermale. Différentes solutions ont déjà été imaginées et/ou mise en œuvre pour collecter et soutirer la matière inorganique initialement solubilisée dans la ressource. En général, il est recherché d’extraire cette matière lorsqu’elle a formé des précipités dans l’eau supercritique.
Une solution peut consister en l’extraction des précipités une fois qu’ils sont revenus dans un état soluble (on parle alors de saumure), en conditions dites sous-critiques, pour faciliter le flux à travers des organes d’isolement, essentiellement des vannes, entre la partie haute pression du process et la basse pression. Cette solution est notamment décrite dans la demande de brevet EP3476468A1.
Une autre solution, décrite dans le brevet 3245165B1, consiste à piéger les précipités en conditions supercritiques à travers un lit fluidisé, composé par exemple de particules de sable ou de céramique, qui va avoir tendance à les retenir en son sein.
Le reste de la matière inorganique, i.e. les constituants autres que les constituants solubles dans la ressource, est donc présente, selon les bioressources, sous forme de particules de petites tailles, typiquement de quelques microns à quelques millimètres. Il peut s’agir notamment de particules de silice et de différents métaux.
Ainsi, le flux aqueux résiduel issu de la gazéification de la matière organique contenue dans le codigestat de méthanisation de fraction organique résiduelle et de boues, contient une quantité significative de ces particules solides inorganiques en suspension.
Les vannes de détente, à technologie dite à pointeau, utilisées conventionnellement dans les installations de gazéification hydrothermale pour la mise en œuvre impérative de l’étape de détente du flux résiduel qui résulte de la gazéification, depuis la pression de gazéification vers la pression atmosphérique, tolèrent mal la présence de ces particules solides inorganiques en suspension. Il est donc indispensable de les collecter avant le passage dans ces vannes de détente ou d’envisager une autre solution technologique.
En pratique, ces particules sont très difficiles à séparer de la matière organique au sein de la biomasse sous sa forme initiale. Un tri préalable à l’injection dans le réacteur est donc une opération complexe qui n’a pas encore démontré sa fiabilité.
Il est donc préférable de gérer ces particules après la réaction de gazéification.
A ce jour, un piégeage par décantation et/ou filtration est mis en place en amont des vannes de détente. Le piège peut être cependant rapidement saturé en raison de la grande quantité de ces matières. S’il devient alors nécessaire de purger le piège, l’extraction d’un flux très concentré en matière solide constituée de particules solides inorganiques en suspension , dont la taille est typiquement comprise entre 0,1 pm et 600pm et la concentration est typiquement comprise entre 1 et 5% en masse, depuis la haute pression du procédé, typiquement à environ 300 bars, vers la pression atmosphérique reste aussi problématique, car cela génère un encrassement et une usure des vannes de détente.
Il existe donc un besoin pour améliorer les solutions de traitement des particules solides inorganiques dans une installation mettant en œuvre un procédé de gazéification hydrothermale de biomasse, notamment afin de pallier les inconvénients précités.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, une installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant:
- un réacteur de gazéification adapté pour mettre en œuvre une gazéification hydro thermale;
- un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides, relié en aval du réacteur, comprenant au moins deux branches fluidiques en parallèle, chacune des branches comprenant :
• au moins deux vannes à deux voies,
• au moins un réservoir formant un sas, agencé entre les deux vannes à deux voies.
Selon une variante de réalisation avantageuse, les vannes à deux voies sont des vannes motorisées.
Selon un mode de réalisation avantageux, les vannes à deux voies étant des vannes à boisseau, de préférence sphérique.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, chaque sas est adapté pour former un décanteur.
L’invention concerne également un procédé de fonctionnement d’une installation décrite précédemment, comprenant les étapes successives suivantes : i/ dans une des deux branches, dite première branche, ouverture de la vanne amont tandis que la vanne aval est fermée de sorte à remplir le sas d’un volume de flux résiduel aqueux à haute pression provenant du réacteur de gazéification, et simultanément, dans l’autre des deux branches, dite deuxième branche, ouverture de la vanne aval tandis que la vanne amont est fermée de sorte à vidanger un volume de flux résiduel aqueux présent dans le sas vers une zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique; ii / dans la deuxième branche, ouverture de la vanne amont tandis que la vanne aval est fermée de sorte à remplir le sas d’un volume de flux résiduel aqueux à haute pression provenant du réacteur de gazéification, et simultanément, dans la première branche, ouverture de la vanne aval tandis que la vanne amont est fermée de sorte à vidanger un volume de flux résiduel aqueux présent dans le sas vers une zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique; les étapes i / et ii/ étant réalisées en alternance.
Le temps de latence entre les étapes i / et ii/ et inversement entre les étapes ii/ et i / est à ajuster en fonction du volume des sas et du débit de flux. Ce temps de latence peut avantageusement être mis à profit pour permettre à une partie des particules de décanter, selon la durée de latence et la taille des particules.
Avantageusement, les étapes i / et ii/ sont réalisées de telle sorte que les volumes remplissant les sas et évacués vers la zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique correspondent aux volumes pleins des sas.
Avantageusement encore, la répétition des étapes i / et ii/, est réalisée à des intervalles de temps compris entre 5 et 50 fois par heure pour un flux résiduel aqueux compris entre 1 et 10kg/h. Cette gamme avantageuse correspond à des sas de contenance égale à 100ml et en considérant que la densité de la solution qui transite est proche de 1. Il va de soi que cette gamme dépend du volume des sas et donc de la densité de la solution qui transite.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend entre les étapes i / et ii/, une étape d’enlèvement des particules solides décantées dans les sas.
De préférence, le flux résiduel aqueux provenant du réacteur de gazéification est à des pressions comprises entre 250 et 300 bars.
Ainsi, l’invention propose de substituer l’étage de traitement par filtration et détente du flux aqueux résiduel post gazéification qui est chargé de particules solides inorganiques comme selon l’état de l’art, par un système à double branche fluidique avec vannes deux voies et sas intercalé dont le pilotage alterné va permettre de dépressuriser le flux aqueux chargé en particules dans les sas. Autrement dit, le fonctionnement alterné des deux branches fluidiques va laisser transiter les particules solides de la partie de l’installation fonctionnant à haute pression à sa partie aval à basse pression.
Cela est alors ensuite plus simple de capter les particules solides dans le flux résiduel ramené à basse pression par des techniques courantes de séparation de phase et ce en fonction des besoins de post-traitement à appliquer à ce flux résiduel. En effet, en aval du système selon l’invention, la concentration des particules est suffisamment modérée, typiquement de l’ordre de 5 à 10%, le reste étant constitué d’une phase aqueuse légèrement enrichie en organiques et sels solubles, pour pouvoir utiliser du matériel standard existant sur le marché. Le fonctionnement du système selon l’invention est facilité par la présence du dioxyde de carbone issu de la gazéification de la matière organique. En effet, la détente du CO2 lors de son écoulement dans le système va le faire passer de son état liquide (haute pression) à son état gazeux (basse pression). Ce changement d’état physique va induire un phénomène de chasse du flux aqueux du sas concerné.
Le système de traitement selon l’invention est donc simple, efficace et de mise en œuvre aisée dans n’importe quelle installation de gazéification hydro thermale.
Dans le cadre de l’invention, le système peut comporter plus de branches fluidiques en parallèle. Ainsi, d’autres branches en parallèle peuvent être mise en œuvre pour faire transiter des débits plus importants tout en évitant des phénomènes de « coups de bélier », lors de l’ouverture des vannes depuis la zone haute pression vers les sas, qui présenteraient dans cette variante de plus petits volumes.
Avantageusement, disposer de plus de branches fluidiques peut aussi permettre de réaliser une maintenance sur l’une d’elles tout en assurant le fonctionnement du procédé par les autres branches fluidiques actives.
Également, une maintenance peut concerner une purge des particules qui auraient décantées dans le sas. On peut envisager que cette purge soit réalisée par l’intermédiaire d’un piquage spécifique qui pourrait être activé par l’enlèvement manuel d’un bouchon par exemple. L’invention concerne enfin l’application de l’installation décrite précédemment, ou du procédé de fonctionnement décrit ci-avant, pour la gazéification de biomasses organiques humides et comprenant des particules solides inorganiques.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.
Brève description des dessins
[Lig 1] est une vue schématique d’une installation de gazéification hydro thermale de biomasse selon l’état de l’art. [Fig IA] est une vue schématique montrant en détail l’étage de filtration et de détente du flux aqueux chargé en particules selon l’état de l’art, tel qu’il est implanté dans l’installation selon la figure 1.
[Fig 2] est une vue schématique d’une installation de gazéification hydro thermale de biomasse selon l’invention.
[Fig 2A] est une vue schématique montrant en détail le système de traitement du flux aqueux résiduel selon l’invention, tel qu’il est implanté dans l’installation selon la figure 2.
[Fig 3A] est une vue schématique montrant une première étape du fonctionnement du système de traitement selon l’invention.
[Fig 3B] est une vue schématique montrant une deuxième étape du fonctionnement du système de traitement selon l’invention.
[Fig 4] représente dans le diagramme des phases du dioxyde de carbone son passage de l’état liquide à l’état de gazeux lors de son écoulement dans le système de traitement selon l’invention.
Description détaillée
Les figures 1 et IA sont relatives à un exemple d’installation de gazéification hydro thermale selon l’état de l’art.
Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments selon l’état de l’art et selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 2A.
Dans les figures 1 et 2, les zones ZI et Z3 en pointillés clairs représentent les zones à basse pression des installations de gazéification hydrothermale, typiquement à la pression atmosphérique, tandis que la zone Z2 en pointillés noirs est une zone à haute pression, typiquement comprise entre 250 et 300 bars.
Dans la description qui va suivre les termes « entrée », « sortie » « amont », « aval », sont utilisés par référence avec la direction de circulation des produits obtenus au sein de l’installation mettant en œuvre en continu un procédé de gazéification hydro thermale.
On a représenté en figure 1, un exemple d’installation 1 selon l’état de l’art dans laquelle la gazéification hydrothermale est réalisée au sein d’un réacteur de gazéification 2.
Un étage de stockage de la matière 3 alimente par le biais d’un étage de pompage et d’injection 4, le réacteur de gazéification 2. L’étage de stockage 3 comprend un réservoir de stockage d’eau 30 et un réservoir de stockage de la solution de biomasse à gazéifier qui sont reliés par des vannes deux voies respectivement 32, 33 à une ligne de mélange et d’alimentation commune.
La pompe d’alimentation 40 aspire le mélange aqueux ainsi formé pour alimenter en traversant une vanne deux voies 41 le réacteur de gazéification 2.
A la sortie du réacteur 2, les produits obtenus sont séparés dans un étage de séparation 5 entre gaz combustibles parmi lesquels entre autres ¾, CtL et phase aqueuse chargée en particules inorganiques solides, telles que particules de silice ou de différents métaux.
Plus précisément, l’étage 5 comprend un réservoir de sortie 50 dans lequel la phase aqueuse est évacuée par le fond vers un étage de filtration et de détente 6 tandis que les gaz combustibles sont évacués par le haut vers un étage de détente 7.
Ainsi, pour réaliser la détente respectivement des gaz combustibles et du flux résiduel aqueux de la zone de haute pression Z2 à la zone Z3 à pression atmosphérique, chacun des étages 6, 7 comprend une vanne de détente, respectivement 60, 70.
Un étage de séparation 8 entre CO2 à l’état gazeux et le flux aqueux chargé en particules solides est agencé en aval de l’étage de filtration et de détente 6.
Plus précisément cet étage 8 comprend un réservoir d’évacuation dans lequel le CO2 à l’état gazeux est évacué par le haut par l’ouverture d’une vanne deux voies 81, tandis que le flux aqueux chargé en particules solides est évacué par le fond par ouverture d’une vanne deux voies 82.
L’étage de filtration et de détente 6 est illustré en détail en figure IA. La vanne de détente 60 est de type à pointeau qui délimite intérieurement un espace de passage du flux aqueux extrêmement réduit, typiquement de dimension de l’ordre du dixième de mm. Cela impose G utilisation d’un filtre 61 en amont pour filtrer les particules solides afin de ne pas bloquer la vanne de détente 60. Ce problème ne se pose pas pour la vanne de détente 70 qui réalise la détente des gaz combustibles qui constituent un fluide épuré.
Un inconvénient majeur est que le piège des particules solides dans le filtre 61 peut être rapidement saturé en raison de la grande quantité de ces matières. Il devient alors nécessaire de purger le filtre 61. En outre, l’extraction in situ d’un flux très concentré en matière solide depuis la haute pression de la zone Z2 vers la pression atmosphérique est aussi problématique de par l’encrassement et l’usure des vannes. Aussi, pour remédier à ces inconvénients, les inventeurs ont pensé à substituer la vanne de détente 60 couplée au filtre 61 en amont par un système de traitement 6 illustré en figures 2 et 2A.
Ce système 6 comprend deux branches fluidiques en parallèle 62, 63 reliées en amont à l’étage de séparation 5 et en aval à l’étage de séparation 8.
Chacune des deux branches 62, 63 comprend deux vannes à deux voies respectivement 64, 68 et 65, 69 entre lesquelles est agencé un réservoir formant un sas, respectivement 66 et 67. Les vannes à deux voies 64, 68 et 65, 69 sont motorisées et de préférence constituées par des vannes, dites «tourillon », à boisseau sphérique. Ces vannes présentent l’avantage d’offrir une grande section de passage et sont donc peu sensibles à l’encrassement. Les joints qui assurent l’étanchéité au niveau de l’organe mobile interne qui bloque ou permet le passage du flux aqueux sont néanmoins sensibles à l’abrasion. Aussi, de préférence, dans le cadre de l’invention, les joints des vannes sont en matériau très dur, tel que du polyétheréthercétone (PEEK), afin d’allonger leur durée de vie.
Les sas 65 et 67 reçoivent le flux aqueux à haute pression et le transfèrent ultérieurement vers la zone Z3 à basse pression. Les sas 65 et 67 sont des réservoirs dimensionnés mécaniquement vis-à-vis des contraintes des pressions de l’installation. Leur volume est adapté au débit à faire transiter dans l’installation.
Le fonctionnement du système 6 selon l’invention va maintenant être expliqué.
Etape i/ : Comme illustré en figure 3A, la vanne amont 64 de la branche 62 s’ouvre, ce qui provoque le remplissage du sas 66 par le flux aqueux à haute pression. Simultanément, la vanne aval 69 de la branche 63 s’ouvre et le sas 67 de cette branche est vidangé de son contenu vers la zone Z3 où la pression est proche de la pression atmosphérique.
Etape ii/ : Comme illustré en figure 3B, la vanne aval 68 de la branche 62 s’ouvre, ce qui provoque la vidange du sas 66 préalablement rempli du flux aqueux haute pression, vidangée vers une zone Z3 où la pression est proche de la pression atmosphérique. Simultanément, la vanne amont 65 de la branche 63 s’ouvre et le sas 67 de cette branche se remplit avec le flux aqueux haute pression.
L’ouverture et la fermeture motorisées des vannes deux voies 62, 68 et 65, 69 est réalisée par une unité de contrôle-commande en fonction du flux aqueux haute pression qui est produit et évacué du réacteur de gazéification 2. Autrement dit, les étapes i / et ii / précitées se déroulent à une cadence qui permet, en fonction aussi du volume des sas 66 et 67, d’évacuer le flux traité dans le réacteur de gazéification 2. A titre d’exemple, pour évacuer du réacteur 2, un flux résiduel de 10 kg/h avec des sas 66 et 67 chacun d’une contenance de 100 ml, l’étape i / est répétée 50 fois en alternance avec l’étape ii/ qui est aussi répétée 50 fois par heure, soit 100 remplissages des sas au total pour une cadence d‘un remplissage toutes les 38 secondes. Autrement dit, il y a un temps de latence entre les étapes i / et ii/ qui est ici de 38 secondes.
L’efficacité avec laquelle les sas 66 et 67 se remplissent et se vidangent pleinement est notablement améliorée par la présence du CO2 issu de la gazéification en amont de la matière organique.
En effet, comme représenté sur le diagramme de la figure 4, le CO2 dans la zone Z2 passe de l’état liquide, dans les conditions de pression de gazéification entre 250 et 300 bars, à l’état gazeux lors du début du remplissage de chacun des sas et surtout lors de la vidange vers la zone Z3. Ce changement d’état provoque une chasse ou autrement dit une expulsion du liquide stocké avec le CO2.
Les inventeurs ont procédé à des tests lors d’une gazéification en continu d’un digestat de méthanisation de fraction organique résiduelle, filtré à une taille de 600pm.
La gazéification dans le réacteur 2 s’est déroulé à une pression de 270 bars environ et le flux aqueux post gazéification, chargé en particules inorganiques a été ensuite détendu à une pression proche de la pression atmosphérique à l’aide du système 6 selon l’invention. L’essai de gazéification du digestat de méthanisation a été maintenu pendant 3h et le système 6 selon l’invention a parfaitement rempli ses fonctions son rôle pendant cette durée.
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.

Claims

Revendications
1. Installation (1) de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant:
- un réacteur de gazéification (2) adapté pour mettre en œuvre une gazéification hydrothermale ;
- un système (6) de détente du flux aqueux tolérant la présence t de particules solides, relié en aval du réacteur, comprenant au moins deux branches fluidiques (62 ; 63) en parallèle, chacune des branches comprenant :
• au moins deux vannes à deux voies (64, 68 ; 65, 69),
• au moins un réservoir formant un sas (66 ; 67), agencé entre les deux vannes à deux voies.
2. Installation selon la revendication 1, les vannes à deux voies étant des vannes motorisées.
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, les vannes à deux voies étant des vannes à boisseau, de préférence sphérique.
4. Installation selon la revendication 1 ou 2, le sas étant adapté pour former un décanteur.
5. Procédé de fonctionnement d’une installation (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant les étapes successives suivantes : i / dans une des deux branches, dite première branche, ouverture de la vanne amont tandis que la vanne aval est fermée de sorte à remplir le sas d’un volume de flux résiduel aqueux à haute pression provenant du réacteur de gazéification, et simultanément, dans l’autre des deux branches, dite deuxième branche, ouverture de la vanne aval tandis que la vanne amont est fermée de sorte à vidanger un volume de flux résiduel aqueux présent dans le sas vers une zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique; ii/ dans la deuxième branche, ouverture de la vanne amont tandis que la vanne aval est fermée de sorte à remplir le sas d’un volume de flux résiduel aqueux à haute pression provenant du réacteur de gazéification, et simultanément, dans la première branche, ouverture de la vanne aval tandis que la vanne amont est fermée de sorte à vidanger un volume de flux résiduel aqueux présent dans le sas vers une zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique; les étapes i / et ii/ étant réalisées en alternance.
6. Procédé de fonctionnement selon la revendication 5, les étapes i / et ii/ étant réalisées de telle sorte que les volumes remplissant les sas et évacués vers la zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique correspondent aux volumes pleins des sas.
7. Procédé de fonctionnement selon la revendication 5 ou 6, la répétition des étapes i / et ii/, étant réalisée à des intervalles de temps entre 5 et 50 fois par heure pour un flux résiduel aqueux compris entre 1 et 10kg/h.
8. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 5 à 7, comprenant entre les étapes i / et ii/, une étape d’enlèvement des particules solides décantées dans les sas.
9. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 5 à 8, le flux résiduel aqueux provenant du réacteur de gazéification étant à des pressions comprises entre 250 et 300 bars.
10. Application de l’installation selon l’une des revendications 1 à 4, ou du procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 5 à 9, pour la gazéification de biomasses organiques humides et comprenant des particules solides inorganiques.
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