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CA 02741266 2015-12-11
Application No. : 2,741,266
Attorney Docket No.: 11559-011
DISPOSITIF DE SÉCHAGE 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
A, 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.
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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
supérieur comporte une conduite d'alimentation en biomasse 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 ledit
premier
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cyclone comporte également une conduite d'alimentation en gaz chaud débouchant
dans
le plafond du cyclone supérieur et ladite conduite d'entrée du gaz des autres
cyclones
débouche également dans le plafond du cyclone correspondant.
L'invention concerne également un dispositif de séchage de biomasse solide
comportant une pluralité de cyclones disposés en série, chaque cyclone
comportant une
partie inférieure conique, dont un premier cyclone supérieur comporte une
conduite
d'entrée de gaz chaud débouchant dans le plafond du cyclone supérieur et une
conduite
de sortie de gaz, chaque cyclone comportant une conduite verticale inférieure
d'écoulement des solides vers le plafond du cyclone adjacent, caractérisé en
ce que ledit
premier cyclone supérieur comporte une conduite d'alimentation en biomasse,
les autres
cyclones comportent une conduite d'entrée et une conduite de sortie du gaz 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
oeuvre 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 C.
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.
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L'invention concerne en plus l'utilisation d'un dispositif de séchage de
biomasse
solide tel que décrit ci-dessus, caractérisé en qu'il est installé dans une
boucle à lit
fluidisé rapide comportant un réacteur, un cyclone de séparation associé et
une conduite
de retour des solides de ce cyclone vers le réacteur, ladite conduite
d'alimentation en gaz
chaud étant alimenté par des gaz soutirés en sortie dudit cyclone de
séparation.
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 lA à 1 E selon l'exemple représenté, chaque cyclone
comportant une
partie inférieure conique et une partie supérieure cylindrique.
Un premier cyclone lA comporte une conduite d'alimentation en gaz chaud 2 et
une conduite de sortie du gaz 3A et les autres cyclones 1B à JE 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 lA et la conduite d'entrée 4B à 4E du gaz des autres cyclones
débouche
également dans le plafond du cyclone correspondant.
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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 1A par une conduite
verticale 6 disposée sur l'axe de symétrie de ce cyclone.
La pluralité de cyclones 1A à 1E 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
1E, 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 1B et 1C. 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 1C 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 1C, afin de ne pas réduire la vitesse des
solides.
Le cyclone 1B 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 113 avec la
conduite d'entrée de gaz chaud 4C au plafond du cyclone suivant I C.
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
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conduite de sortie latérale inclinée 3B du cyclone 1B et le tronçon de
conduite d'entrée
inclinée 4C au plafond du cyclone adjacent 1C.
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 C.
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 1A et I B 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 1B, 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 600 C à 700
C, sont
mélangés au moyen d'une conduite 14 à la biomasse alimentée au dispositif de
séchage,
par la conduite 6.
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