PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXTRACTION DE DIOXYDE DE CARBONE DE L'ATMOSPHERE

METHOD FOR THE PYROLYSIS AND GASIFICATION OF BIOMASSES BY MEANS OF THERMOCHEMICAL CONVERSION

English Abstract

The invention relates to a method for extracting carbon dioxide from the atmosphere, said method comprising the thermochemical conversion of biomasses as a natural intermediate vector for storing carbon dioxide, the carbon dioxide being trapped by a thermochemical cycle (3) that comprises a combustion reactor (8) and an oxidation chamber (9) connected together, and in which flow metal oxides which are alternately oxidised and reduced and which ensure the oxygen supply for the combustion, wherein said thermochemical conversion is achieved using a pyrolysis reactor (2) and said thermochemical cycle (3). According to the invention, the biomasses are dried (1) by air-lean fumes (13) exiting from the oxidation chamber (9) of said thermochemical cycle before said pyrolysis.

French Abstract

L'invention concerne un
procédé d'extraction de dioxyde de carbone
de l'atmosphère, par une conversion
thermochimique de biomasses, en tant que
vecteur intermédiaire naturel de stockage du
dioxyde de

carbone,, une capture du dioxyde de carbone étant effectuée par un cycle
thermochimique (3) comportant un réacteur de
combustion (8) et une chambre d'oxydation (9) interconnectées, et dans lequel
circulent des oxydes métalliques qui sont
alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour
ladite combustion, cette conversion thermochimique
étant réalisée au moyen d'un réacteur de pyrolyse (2) et dudit cycle
thermochimique (3). Selon l'invention, ladite pyrolyse est
précédée d'un séchage (1) des biomasses effectué par des fumées en air
appauvri (13) sortant de ladite chambre d'oxydation (9)
dudit cycle thermochimique.

Claims

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REVENDICATIONS
1. Procédé d'extraction de dioxyde de carbone de l'atmosphère, par une
conversion thermochimique de biomasses, en tant que vecteur
intermédiaire naturel de stockage du dioxyde de carbone, , une capture du
dioxyde de carbone étant effectuée par un cycle thermochimique (3)
comportant un réacteur de combustion (8) et une chambre d'oxydation (9)
interconnectées, et dans lequel circulent des oxydes métalliques qui sont
alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour
ladite combustion, cette conversion thermochimique étant réalisée au
moyen d'un réacteur de pyrolyse (2) et dudit cycle thermochimique (3),
caractérisé en ce que ladite pyrolyse est précédée d'un séchage (1) des
biomasses effectué par des fumées en air appauvri (13) sortant de ladite
chambre d'oxydation (9) dudit cycle thermochimique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il assure une
production d'énergie et de carburants.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
les solides chauds en circulation dans ledit cycle thermochimique (3)
assurent ladite pyrolyse (2).
4. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les
solides chauds en circulation dans ladite chambre d'oxydation (9) assurent
ladite pyrolyse (2).
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
ladite production d'énergie et/ou de carburants est réalisée sous forme de
vapeur haute pression et de gaz de synthèse dont la composition peut être
ajustée après reformage pour fabriquer des carburants synthétiques (10).

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6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que
ledit cycle thermochimique (3) utilise l'air, la vapeur d'eau et le dioxyde de
carbone pour oxyder et réduire lesdits oxydes métalliques.
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit air
est de l'air enrichi en oxygène.

Description

CA 02740501 2011-04-13
WO 2010/043799 PCT/FR2009/051920
PROCEDE ET DISPOSITIF D'EXTRACTION DE DIOXYDE DE
CARBONE DE L'ATMOSPHERE
L'invention concerne un procédé et un dispositif d'extraction de
dioxyde de carbone de l'atmosphère.
L'augmentation continue des teneurs en dioxyde de carbone (C02)
dans l'atmosphère depuis 1860, qui a désormais tendance à s'accélérer, de par
les émissions des installations industrielles de production d'électricité à
base de
combustibles fossiles, conduit à un réchauffement climatique de deux degrés
minimum en 2100 qu'il s'agit de limiter en divisant les émissions de C02 par
un
facteur de quatre pour ne pas dépasser 550 ppm de C02 dans les années 2100.
Le but de l'invention est d'extraire sélectivement et économiquement le
C02 de l'air de l'atmosphère.
La biomasse d'origine agricole et forestière stocke le C02 par
photosynthèse sur des périodes comprises entre un et cent ans. Cette
biomasse étant très réactive avec plus de 70 % de matières volatiles sur sec
et
environ 50 % d'humidité sur brut, l'invention propose de prendre avantage de
ces caractéristiques pour convertir cette biomasse en énergie et carburants
tout en capturant le C02 émis avec une technologie simplifiée et compacte.
Le C02 qui est capté peut être stocké pendant plusieurs centaines
d'années dans le sous sol, par exemple dans des aquifères sous marins.
Grâce à l'invention, on réalise par cette nouvelle approche une
extraction de C02 de l'air atmosphérique en utilisant un vecteur intermédiaire
naturel de stockage de C02 que constitue la biomasse.
Le document de brevet WO 01/02513 décrit par ailleurs un procédé de
traitement de biomasse. Les substances organiques sont tout d'abord broyées
et/ou séchées, puis introduites dans un réacteur de pyrolyse dans lequel elles
sont mises en contact avec le matériau d'un lit fluidisé associé dont les gaz
de
combustion sont purifiés avant rejet.

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Selon ce procédé connu, aucune capture spécifique du C02 n'est
prévue.
Le document de brevet US 2003/0029088 décrit un procédé de
conversion de combustible en hydrogène, avec capture du dioxyde de carbone.
Selon ce procédé, la capture du dioxyde de carbone est effectuée par un cycle
thermochimique comportant un réacteur de combustion et une chambre
d'oxydation interconnectées, et dans lequel circulent des oxydes métalliques
qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène
pour la combustion. Une conversion thermochimique est réalisée au moyen
d'un réacteur de pyrolyse et de ce cycle thermochimique.
S'il est envisagé d'utiliser de la biomasse en tant que combustible, ce
document développe essentiellement l'utilisation de charbon.
L'objet de l'invention est d'adapter un tel procédé au traitement de
biomasse à cycle carbone non fossile par un procédé perfectionné économique
qui puisse être adapté à toutes tailles d'installation. En particulier, le
traitement de biomasses, par exemple les résidus agricoles, les déchets
forestiers et les déchets ménagers triés, ou les biomasses cultivées à des
fins
énergétiques, telles que le miscanthus ou des algues, peut être effectué de
façon très locale, à proximité des sources de biomasses, avec des
installations
de petite taille et à très grande échelle.
L'invention propose donc un procédé d'extraction de dioxyde de
carbone de l'atmosphère, par une conversion thermochimique de biomasses,
en tant que vecteur intermédiaire naturel de stockage du dioxyde de carbone, ,
une capture du dioxyde de carbone étant effectuée par un cycle
thermochimique comportant un réacteur de combustion et une chambre
d'oxydation interconnectées, et dans lequel circulent des oxydes métalliques
qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène
pour ladite combustion, cette conversion thermochimique étant réalisée au
moyen d'un réacteur de pyrolyse et dudit cycle thermochimique, caractérisé en
ce que ladite pyrolyse est précédée d'un séchage des biomasses effectué par

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des fumées en air appauvri sortant de ladite chambre d'oxydation dudit cycle
thermochimique.
Outre l'avantage d'une installation compacte, ces fumées constitue un
gaz inerte contenant moins de 5% d'oxygène qui peut sécher la biomasse à
une température de 750 C sans combustion.
La pyrolyse permet de libérer les matières volatiles contenues dans la
biomasse.
Ce mode de réalisation prend avantage de la grande porosité et
réactivité du résidu carboné de biomasse après départ de l'humidité et des
matières volatiles.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ce procédé assure
une production d'énergie et de carburants.
Grâce à ce procédé, il est réalisé une capture du dioxyde de carbone
avec production de carburants en amont du réacteur de pyrolyse et
d'électricité en amont du réacteur à lit fluidisé.
Les solides chauds en circulation dans ledit cycle thermochimique
assurent de préférence ladite pyrolyse.
Avantageusement, les solides chauds en circulation dans ladite
chambre d'oxydation assurent ladite pyrolyse.
Le système est ainsi le plus compact possible. Sachant que le résidu
carboné à convertir peut ne représenter que 15% de la fraction de combustible
entrant, le volume d'effluents gazeux, hors gaz de pyrolyse, se réduit à 15 %
des fumées d'une combustion à l'air. Or c'est ce débit d'effluents gazeux qui
conditionne la taille des équipements d'un cycle thermochimique.
La compacité de ce système d'extraction de C02 est donc extrêmement
élevée, ce qui réduit les coûts d'investissements et permet à un opérateur de
se dispenser d'acheter les quotas C02, correspondant au cas d'emploi de
combustibles fossiles.
L'autre avantage procuré par le fait de décomposer, ce traitement de
biomasse en trois étapes, séchage, pyrolyse et conversion du résidu carboné

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est de minimiser l'apport d'oxygène à apporter pour la conversion du résidu
solide carboné final.
Ladite production d'énergie et/ou de carburants est de préférence
réalisée sous forme de vapeur haute pression et de gaz de synthèse dont la
composition peut être ajustée après reformage pour fabriquer des carburants
synthétiques du type méthanol ou du di-méthyle-éther.
De préférence, ledit cycle thermochimique utilise l'air, la vapeur d'eau
et le dioxyde de carbone pour oxyder et réduire lesdits oxydes métalliques.
Ledit air est avantageusement de l'air enrichi en oxygène.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du
procédé précisé ci-dessus, caractérisé en ce que ledit séchage est réalisé au
moyen d'un réacteur de séchage constitué d'un lit mobile aéré à co-courant
descendant, de forme évasée et muni de dévoûteurs.
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 représente un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon
l'invention.
La figure 2 est une vue en coupe verticale d'un dispositif de séchage
pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.
Comme illustré sur la figure 1, un dispositif pour la mise en oeuvre du
procédé conforme à l'invention comporte trois composants principaux
interconnectés un réacteur de séchage 1, un réacteur de pyrolyse flash 2 et un
convertisseur thermochimique 3, constituant un cycle thermochimique
comportant un réacteur de combustion 8 et une chambre d'oxydation 9
interconnectées et dans lequel circule des oxydes métalliques qui sont
alternativement oxydés et réduits.
La biomasse traitée 4 dont la teneur en humidité est de 40 à 55 %, est
finement divisée par déchiquetage en copeaux de type papeterie et en sciure,
puis introduite dans le réacteur de séchage 1, de préférence en lit mobile
aéré
à courant descendant, de forme évasée et muni de dévoûteurs, qui sera décrit

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plus loin. En sortie de ce réacteur de séchage 1, la vapeur d'eau et l'air
appauvri 14 sont libérés dans l'atmosphère.
Les gaz 5 admis dans ce réacteur de séchage 1 sont à une
température de 400 à 600 C. La biomasse une fois séchée à environ 10 à
5 15% d'humidité résiduelle est transférée par vis et chute gravitaire avec
sas
vers un réacteur de pyrolyse flash 2, réalisée à une température comprise
entre 400 et 800 C, en lit fluidisé alimenté en solides chauds provenant du
cycle thermochimique 3 fonctionnant à une température comprise 700 à
1000 C selon les oxydes utilisés. La libération des matières volatiles et de
l'humidité résiduelle contenues dans la biomasse introduite est immédiate et
constitue la sortie 6 de gaz de pyrolyse du procédé. Cette composition gazeuse
peut être ajustée par un reformage à l'oxygène 17 à 1200 à 1400 C pour
convertir les goudrons et le méthane puis une étape de CO shift pour
arriver à une boucle 10 de synthèse de fabrication de carburants synthétiques,
du type méthanol ou du di-méthyle-éther. La réaction (CO+ H20 -> H2 +
C02) représente ledit CO shift .
Le résidu carboné restant après pyrolyse, mélangé au matériau de lit
en circulation, est transféré par une conduite 7 vers le réacteur de
combustion
8, alimenté en vapeur d'eau et C02 par les conduites 15, 15' comme pour une
gazéification autothermique classique. Le résidu carboné est converti
progressivement dans la boucle circulante thermochimique 3 jusqu'à disparition
du carbone et les cendres résiduelles s'échappent par un cyclone et par un
soutirage de lit en bas de réacteur de combustion 8.
Le matériau de lit de ce réacteur de combustion 8 est celui du cycle
thermochimique 3 dans lequel circule des oxydes métalliques naturels ou
synthétiques qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent
l'apport
d'oxygène pour la combustion ou gazéification, auquel se superpose le
matériau de lit contenant le résidu carboné.
Ce matériau de lit en circulation qui est constitué de particules fines
d'oxydes mixtes de type fer, titane et/ou manganèse est oxydé, réduit, joue le

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rôle de caloporteur et contient le résidu carboné à convertir. Le C02 issu de
la
conversion du résidu carboné 11 sort du réacteur de combustion 8 et subit
refroidissement, dépoussiérage, condensation de l'eau des fumées et
compression pour transport. Il peut ensuite être stocké en aquifère. Une
partie
15 de ce C02 avec de la vapeur d'eau assure l'alimentation du réacteur de
combustion 8 et une autre partie 16 avec de la vapeur d'eau est injectée dans
le réacteur de pyrolyse 2, selon les besoins de rapport CO/H2 de l'étape de
CO shift , elle même dépendant du carburant synthétique final à produire.
L'oxydation très rapide du matériau de lit est assurée par une
fluidisation à l'air ou à l'air enrichi à l'oxygène 12 dans la chambre
d'oxydation
9 aménagée dans le convertisseur thermochimique 3 comportant des sas de
gaz. Ces sas sont des dispositifs d'étanchéité entre des enceintes contenant
des gaz de composition différente.
Le flux gazeux 13 évacué de cette chambre d'oxydation 9 est
essentiellement de l'air appauvri en oxygène. Ce flux gazeux d'air appauvri en
oxygène est particulièrement bien adapté au séchage de biomasse hautement
réactive sans risque d'allumage et est utilisé préférentiellement pour le
séchage de la biomasse, car il représente plus de 70 % du débit de fumées de
l'installation.
La figure 2 représente le réacteur de séchage 1 qui est de préférence
un lit mobile à courant descendant muni de dévoûteurs. Il comporte une
enceinte 1A, de forme évasée vers le bas, sa partie haute recevant les
biomasses à partir d'une trémie 1C par l'intermédiaire d'une vis sans fin
d'entrée 1B. Sa partie basse est pourvue de vis sans fin de sortie 1D.
Les fumées en air appauvri sortant de la chambre de d'oxydation 8 du
cycle thermochimique sont injectées lE en partie haute de l'enceinte, pour
réaliser le séchage et les gaz refroidis sont évacués 1F en partie basse.

Representative Drawing