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PROCEDE ET EQUIPEMENT DE GAZEIFICATION EN LIT FIXE
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine de la gazéification de biomasse,
et plus
particulièrement à un système de gazéification en lit fixe utilisé pour la
conversion de
matière organique solide (appelée aussi biomasse), en gaz de synthèse. Ce gaz
peut être
brûlé, par exemple dans un moteur, turbine, four ou chaudière, ce qui permet
de valoriser
l'énergie calorifique qu'il recèle. L'invention concerne en particulier un
système de
gazéification de taille moyenne, de l'ordre de quelques centaines de kW à
quelques MW.
État de la technique
La gazéification de la biomasse consiste à décomposer en présence d'un gaz
réactif
(oxygène par exemple) un solide, par exemple du bois, afin d'obtenir un
produit gazeux.
Lors de ce processus, la biomasse est soumise à quatre phénomènes
thermochimiques
qui se succèdent :
-
Le séchage : l'humidité du combustible est éliminée par évaporation. Cette
opération est endothermique, elle a lieu à une température typiquement
comprise entre
100 C et 160 C.
-
La pyrolyse : des gaz combustibles et non combustibles sont libérés par la
biomasse sèche à partir de 250 C. Ces gaz sont constitués de vapeurs non
condensables (méthane, hydrogène, monoxyde de carbone, dioxyde de carbone,...)
et
de vapeurs condensables (goudrons). Le résidu de cette opération appelé coke
est du
carbone qui contient des matières minérales.
-
L'oxydation : elle a lieu en présence du gaz réactif (air, vapeur d'eau,
oxygène pur,
hydrogène) qui conditionne le pouvoir calorifique du gaz à la sortie du
gazéifieur.
L'optimisation de la zone d'oxydation est primordiale dans la mesure où une
forte
proportion de goudrons produits lors de la pyrolyse y est craquée.
L'utilisation de l'air,
comme gaz réactif, est la plus répandue. Dans ce cas précis, l'oxydation ou
combustion
partielle est la phase qui fournit la chaleur nécessaire pour les trois phases
du
processus de gazéification.
-
La réduction : le coke réagit avec la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone,
formant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, constituants principaux du
gaz
combustible produit.
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Différentes technologies ont été développées pour mettre en oeuvre la
gazéification de la
biomasse à l'échelle industrielle. Les technologies les plus répandues sont
les gazéifieurs
(ou gazéificateurs ) à lit fixe et les gazéifieurs à lit mobile. Ces
derniers sont destinés
aux installations de puissances thermiques élevées (supérieures à 10 MW) et
requièrent
un combustible finement broyé.
Les gazéifieurs à lit fixe sont destinés aux installations de puissances plus
faibles et
peuvent utiliser du combustible grossier (par exemple des plaquettes
forestières). Deux
grandes catégories de gazéifieurs à lit fixe se distinguent par le sens
relatif de circulation
de la biomasse et de l'air : à contre-courant ou à co-courant. Dans un
gazéifieur à contre-
courant, l'alimentation en biomasse se fait par le haut du réacteur et l'air
est injecté par le
bas de l'unité à travers une grille. Le coke subit une combustion partielle
qui fournit
l'énergie thermique nécessaire aux différentes étapes du procédé. Le gaz
traverse les
zones de réduction et de pyrolyse et refroidit en séchant la biomasse. Ce type
de
gazéifieur produit beaucoup de goudrons qu'il faut éliminer en sortie du
gazéifieur pour
pouvoir utiliser le gaz de synthèse produit.
Dans un gazéifieur à co-courant, l'alimentation en biomasse et en agent
oxydant se fait
dans la même direction. Le gaz produit traverse la zone chaude ce qui permet
de craquer
les goudrons formés pendant la réaction de pyrolyse. Le gaz produit quitte
ainsi le
réacteur à une température élevée, de l'ordre de 700 C. Le contenu en goudrons
est donc
beaucoup plus faible que dans le cas du gazéifieur à contre-courant. En
revanche, les
gazéifieurs à co-courant existants sont limités en terme de puissance
maximale, du fait
que l'injection d'agent oxydant (air, oxygène, vapeur d'eau) se fait en
périphérie, ce qui
limite la pénétration du gaz réactif (appelé ici aussi agent de
gazéification ) dans le lit,
en particulier au niveau de la zone de réduction. Un tel gazéifieur est décrit
par exemple
dans la demande de brevet WO 2009/020442 (Detes Maden Enerji Ve Cevre
Teknoloji
Sistemleri Limited Sirket).
Des solutions ont été proposées pour résoudre ce problème. Le brevet US
594,540
(Kitson, 1897) décrit un gazéifieur cylindrique à co-courant dans lequel
l'entrée de l'air se
fait par le haut du cylindre. La tuyère d'alimentation en air a une forme de
cône, et l'air est
amené directement dans le lit de biomasse. De même, le brevet US 4,306,506
(Energy
Recovery Research Group) décrit un gazéifieur cylindrique à co-courant
comportant
successivement de haut en bas une zone supérieure de séchage, puis une zone de
distillation (pyrolyse), puis une zone d'oxydation, et enfin une zone de
réduction. L'air est
introduit par un conduit débouchant dans le coeur de la zone d'oxydation
et
comportant un cône de déflection qui envoie l'air vers le haut et vers le bas
de l'ensemble
de la zone d'oxydation. En outre, de l'air peut également être envoyé dans le
bas de la
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zone de réduction, cet air étant avant tout destiné à refroidir la zone de
réduction. Dans
cette configuration, l'injection d'air entraîne deux inconvénients : d'une
part, l'oxygène de
l'air réagit avec l'hydrogène du gaz de synthèse produit, ce qui diminue le
pouvoir
calorifique du gaz de synthèse, et d'autre part, le gaz de synthèse est dilué
par l'azote
présent dans l'air.
Le brevet US 4,568,271 (Kernforschungsanlage Jülich) décrit un gazéifieur pour
la
gazéification d'effluents liquides contenant des composés organiques. Les
liquides sont
introduits dans un conteneur cylindrique vertical par une conduite située dans
le haut du
gazéifieur. Un lit incandescent contenant des matériaux riches en carbone est
situé dans
le bas du conteneur cylindrique. De l'oxygène est introduit dans le lit
incandescent par
une conduite centrale placée dans le bas du conteneur cylindrique puis par un
cône
comportant des ouvertures et situé dans le lit incandescent. Les effluents
liquides sont
vaporisés et craqués . Ce dispositif ne convient que pour le traitement
d'effluents
liquides.
La demande de brevet DE 10 2010 033 646 (Pyrox GMBH) décrit un gazéifieur à
lit fixe à
co-courant comportant une chambre d'oxydation séparée placée à l'intérieur
du corps
du gazéifieur. Cette chambre d'oxydation comporte une zone supérieure conique
avec la
partie large du cône située en bas, une entrée d'agent oxydant (air) est
prévue dans la
partie supérieure de la chambre d'oxydation. La zone supérieure conique
comprend
également une double paroi à l'intérieur de laquelle les gaz de pyrolyse
produits dans la
zone de pyrolyse sont acheminés, et introduits dans la chambre d'oxydation.
Ces gaz de
pyrolyse passent à travers une grille située sur la périphérie de la chambre
d'oxydation.
La chambre d'oxydation décrite dans la demande de brevet DE 10 2010 033 646
présente
typiquement un agencement de brûleur. Ce dispositif est de construction
complexe, de
plus les gaz de pyrolyse sont très chargés en goudrons, et la grille
d'admission risque
d'être rapidement obstruée.
La demande de brevet NL 8200417 (TAB BV) décrit un gazéifieur à lit fixe à co-
courant
apte à traiter une grande variété de combustibles. Ce gazéifieur comporte une
entrée d'air
dans le haut du corps du gazéifieur, cet air étant amené par une canne dans
une chambre
comportant une partie supérieure conique avec la partie large du cône située
en bas. Du
fait de la forme de la chambre, la diffusion de l'air dans la biomasse n'est
pas optimale.
Les gazéifieurs à lit fixe et à co-courant selon l'état de la technique sont
donc limités en
puissance. Il existe un besoin pour un dispositif de gazéification de biomasse
à lit fixe et
à co-courant permettant de lever les limitations de l'art antérieur en terme
de puissance
maximale, pouvant fonctionner notamment à une puissance maximale supérieure à
500
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kW, et qui permet d'obtenir un gaz de synthèse avec un rendement élevé, un
taux de
goudrons minimal, et un taux de carbone dans les cendres minimal.
Objet de l'invention
Les problèmes sont résolus par un gazéifieur à lit fixe à co-courant destiné à
transformer
de la biomasse en gaz de synthèse et cendres à l'aide d'un agent de
gazéification, ledit
gazéifieur comportant un corps de réacteur, ledit corps de réacteur comprenant
une partie
supérieure et une partie inférieure, dans lequel gazéifieur la biomasse est
introduite par
un conduit d'entrée situé dans le haut de la partie supérieure du corps du
gazéifieur, le
gaz de synthèse est évacué par un conduit d'évacuation du gaz de synthèse, et
les
cendres sont évacuées dans la partie basse de la partie inférieure du corps de
réacteur à
travers un conduit d'évacuation des cendres, et ledit gazéifieur comportant,
de haut en
bas,
- une zone de pyrolyse de la biomasse,
- une zone d'oxydation de la biomasse,
- une zone de réduction,
- une grille comportant une pluralité d'ouvertures à travers lesquelles
passent les
cendres pour être évacuées,
et ledit gazéifieur comportant des moyens d'introduction d'un agent de
gazéification,
tel que de l'air ou de l'oxygène,
ledit gazéifieur étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction de
l'agent de
gazéification comprennent :
- un cône de diffusion de l'agent de gazéification situé en haut de la zone
d'oxydation
du gazéifieur, ou au-dessus de ladite zone d'oxydation,
- des moyens d'injection de l'agent de gazéification situés dans la zone
d'oxydation du
gazéifieur.
Avantageusement, le gazéifieur comprend une zone annulaire dans laquelle le
gaz de
synthèse est collecté avant de quitter le gazéifieur par ledit conduit
d'évacuation du gaz
de synthèse.
Ledit cône de diffusion est situé au-dessous dudit conduit d'entrée de la
biomasse, noyé
dans la biomasse lors du fonctionnement dudit gazéifieur. Avantageusement, le
cône de
diffusion présente un diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et
de
préférence entre 30% et 50%, de la valeur du diamètre interne D de la partie
supérieure
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du corps de réacteur. L'angle interne du cône est avantageusement compris
entre 60 et
120 , et de préférence entre 70 et 110 .
Dans un mode de réalisation, le gazéifieur selon l'invention comprend en plus
une entrée
d'agent de gazéification située au-dessus de la grille mais au-dessous de la
zone
5 d'oxydation.
Avantageusement, la superficie de ladite zone annulaire est de trois à dix
fois supérieure
(préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus
préférentiellement
environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans
la grille.
Le gazéifieur selon l'invention peut être réalisé en différentes tailles et
avec différentes
puissances thermique, mais son fonctionnement est optimal lorsque sa puissance
thermique est comprise entre 200 et 5000 kW, de préférence entre 500 et 2500
kW, et
encore plus préférentiellement entre 600 et 2000 kW.
Un autre objet de l'invention est un procédé de gazéification de biomasse
utilisant un
gazéifieur selon l'invention, dans lequel
- on introduit de la biomasse par ledit conduit d'entrée,
- on introduit l'agent de gazéification par ledit cône de diffusion et par
lesdits moyens
d'injection situées dans la zone d'oxydation du gazéifieur,
- on évacue les gaz de synthèse par ladite zone annulaire et ledit conduit
d'évacuation
de gaz de synthèse, et
- on évacue les cendres à travers ladite grille et le conduit d'évacuation
des cendres.
Dans un mode de réalisation avantageux de ce procédé, on injecte ledit agent
de
gazéification également par une entrée située au-dessus de la grille mais au-
dessous de
la zone d'oxydation.
Figures
Les figures 1 à 4 montrent de manière schématique différents aspects d'un
gazéifieur
selon l'invention. Les figures 1, 2 et 4 montrent une coupe longitudinale, la
figure 3 montre
une vue du haut en coupe horizontale selon le plan A-A.
La figure 5a représente la variation de la température du gaz de synthèse en
sortie du
gazéifieur (courbe foncée), et la variation de la température du gaz dans la
partie haute
du réacteur (courbe claire). La figure 5b représente la variation de la
pression en haut du
gazéifieur (courbe claire), et la variation de la pression en bas du
gazéifieur (courbe
foncée).
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Les repères suivants sont utilisés :
1 Conduit d'entrée pour biomasse
2 Vis sans fin
3 Bras rotatif
4 Conduit d'entrée de gaz réactif
Conduit supérieur d'entrée de gaz réactif
6 Conduit inférieur d'entrée de gaz réactif
7 Conduit annulaire d'entrée de gas réactif
8 Grille
9 Bras rotatif
Conduit d'évacuation des cendres
11 Zone annulaire
12 Conduit d'évacuation gaz de synthèse
13 Diffuseur de gaz réactif / Cône
14 Gazéifieur (réacteur)
Lit
16 Zone de pyrolyse
17 Zone d'oxydation
18 Zone de réduction
19, 29 Buse d'injection de gaz réactif
Zone d'entonnoir élargie vers le haut
21 Zone d'entonnoir élargie vers le bas
22 Corps du réacteur (partie supérieure)
23 Corps du réacteur (partie inférieure)
24 Zone d'oxydation homogène
Zone de séchage
26 Biomasse
27 Trous d'injection
Description détaillée
Le gazéifieur 14 (appelé aussi plus généralement réacteur) selon l'invention a
un corps de
5 réacteur de forme généralement cylindrique, ledit corps présentant une
partie
supérieure 22 et une partie inférieure 23. Dans un mode de réalisation, le
diamètre de la
partie inférieure 23 est plus grand que celui de la partie supérieure 22 à
cause de la
présence d'une zone annulaire 11 à travers laquelle s'évacue le gaz de
synthèse.
Selon l'invention illustrée sur les figures 1 et 2, la biomasse 26 est
introduite dans le
10 gazéifieur 14 par le conduit d'entrée 1, typiquement au moyen d'une vis
sans fin 2. Par
biomasse on entend des matières organiques solides, tels que des déchets de
bois
sous diverses formes (plaquettes, granulés, broyats etc.), des sous-produits
agricoles (par
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exemple de la paille), des résidus (boues) secs de station d'épuration, et
toute autre
matière organique susceptible d'être traitée dans les conditions pour
lesquelles le
gazéifieur 14 est conçu. Un bras rotatif 3 permet l'égalisation de la biomasse
sur la
surface disponible.
La figure 2 est une représentation simplifiée du réacteur 14 de la figure 1 et
indique de
manière schématique les positions approximatives des trois zones
réactionnelles, à savoir
la zone de pyrolyse 16, la zone d'oxydation 17 et la zone de réduction 18, et
de la zone
de séchage 25. Dans le réacteur 14 selon l'invention, la zone d'oxydation 17
se trouve
approximativement à la hauteur de l'entrée de gaz réactif 4, la zone de
pyrolyse 16 est
située plus haut, au-dessus du cône diffuseur d'air 13, et la zone de
réduction 18 plus
bas, au-dessus de l'entrée inférieure de gaz réactif (qui est optionnelle) 6.
Les cendres
passent à travers une grille 8 située dans la partie inférieure 23 du corps de
réacteur, et
s'accumulent au-dessous de ladite grille 8. Elles sont éliminées
périodiquement ou de
manière continue par un bras rotatif 9 (typiquement un double bras) à travers
un conduit
d'évacuation des cendres 10, comme cela est montré de manière schématique sur
la
figure 3.
La principale entrée d'agent de gazéification (gaz réactif) 4 est située à mi-
hauteur du
lit 15. Elle est constituée d'un ensemble de conduits ou tuyaux se terminant
par des
moyens d'injection 19,29, qui sont typiquement des buses d'injection,
réparties sur la
périphérie du corps 22 du réacteur 14 et alimentés par les conduits 4.
Dans le gazéifieur 14 selon l'invention une autre entrée de gaz réactif est
prévue dans la
partie supérieure du lit 15, par le conduit supérieur 5, terminé par un cône
diffuseur de
gaz réactif 13. Le cône diffuseur 13 permet une meilleure alimentation en gaz
réactif de la
zone d'oxydation 17 et une augmentation du rendement du dispositif.
En effet, les inventeurs se sont rendu compte qu'afin de lever la limitation
en puissance
d'un gazéifieur à lit fixe co-courant, il est nécessaire de permettre une
alimentation en gaz
réactif de l'ensemble de la zone d'oxydation. Plus particulièrement, les
inventeurs ont
constaté que les buses d'injection d'air périphériques ne suffisent plus dès
lors que la
puissance thermique dépasse environ 500 kW. En effet, la profondeur de
pénétration
limitée du gaz réactif dans la biomasse limite la puissance que l'on peut
obtenir, sachant
que la puissance thermique maximale est proportionnelle à la section du
réacteur. A partir
d'un certain diamètre D du réacteur, qui correspond à une puissance d'environ
500 kW, il
faut donc améliorer l'injection de gaz réactif dans la zone d'oxydation ;
cette injection
supplémentaire est bénéfique également pour des réacteurs plus petits.
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Ce problème est résolu par le cône 13 fixé en partie centrale du gazéifieur,
au-dessus de
la zone d'oxydation, qui permet l'alimentation en gaz réactif du coeur de la
zone
d'oxydation. Ce cône 13 est alimenté en gaz réactif par une canne 5 placée
dans l'axe du
gazéifieur. Ce dispositif permet d'alimenter en gaz réactif de façon optimale
le centre de la
zone d'oxydation du gazéifieur, et d'atteindre des puissances thermiques
atteignant 5 MW
avec de l'air comme gaz réactif.
Le cône diffuseur 13 est situé au-dessous du bras rotatif 3 qui égalise le
niveau de la
biomasse, il est noyé dans la biomasse 26. Lors du fonctionnement du réacteur
14, dans
l'espace 24 à l'intérieur du cône 13 il se crée un espace vide de solide
délimité en haut
par le cône 13 et en bas par l'angle de talus formé par la biomasse 26.
D'autres avantages sont apparus, également liés à la présence de ce cône 13.
Le
cône 13 définit deux parties bien distinctes dans le gazéifieur 14: une partie
supérieure
de séchage 25 et de pyrolyse 16 de la biomasse 26 et une partie inférieure
d'oxydation 17
et de réduction 18 du coke. Son emplacement est défini de façon à optimiser le
temps de
séjour du solide dans chacune de ces parties. Cela permet de travailler de
façon
séquentielle et de maximiser la conversion des goudrons de pyrolyse. En effet,
dans un
réacteur classique, les goudrons sont émis dans la zone de pyrolyse et craqués
dans la
zone d'oxydation. Dans le réacteur selon l'invention, une partie des goudrons
est oxydée
dans le cône 13. La biomasse en cours de pyrolyse s'écoule le long de la paroi
du cône
13. Les gaz de pyrolyse viennent remplir la zone 24. A l'intérieur du cône 13,
qui ne
contient pas de biomasse, il y a oxydation homogène des goudrons. Par
oxydation
homogène, on entend une oxydation en phase gazeuse. Cela permet une diminution
drastique de la concentration en goudrons du gaz produit. Dans un gazéifieur
en lit fixe à
co-courant de type connu, la concentration en goudrons est supérieure à 500
mg/Nm3 de
gaz produit, alors qu'avec le dispositif selon l'invention, elle peut
descendre à une valeur
inférieure à 50 mg/Nm3, et même inférieure à 35 mg/Nm3.
La zone d'oxydation homogène 24 située à l'intérieur du cône 13 n'est pas
occupée par la
biomasse. Elle peut ainsi être utilisée pour démarrer le gazéifieur en
réalisant une
combustion de combustible fossile (gaz naturel, propane ou autre) introduit
par un
dispositif (non montré sur les figures) inséré dans la canne 5. La zone 24
permet
également pendant la marche stabilisée du gazéifieur 14 d'oxyder directement à
l'air une
partie du gaz de pyrolyse et des goudrons générés dans la partie supérieure
16.
Le cône 13 est en outre un dispositif d'échange thermique permettant
d'apporter une
partie de l'énergie nécessaire au séchage et à la pyrolyse de la biomasse 26.
En effet, la
réaction d'oxydation est exothermique, alors que le séchage et la pyrolyse
nécessite un
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apport d'énergie. Or, dans un gazéifieur classique l'énergie produite par
l'oxydation n'est
pas utilisable pour le séchage et/ou la pyrolyse car le lit de biomasse est un
mauvais
conducteur thermique. Le cône 13 est généralement constitué d'acier, qui est
un bon
conducteur thermique, ce qui permet de récupérer l'énergie produite par
l'oxydation et de
la transférer au moins en partie à la biomasse située dans les zones de
pyrolyse 16 et de
séchage 25.
Dans un mode de réalisation avantageux, le cône 13 présente avantageusement un
diamètre externe d qui est compris entre 20% et 60%, et de préférence entre
30% et 50%,
de la valeur du diamètre interne D de la partie supérieure 22 du corps de
réacteur ; ces
paramètres sont montrés sur la figure 4. L'angle interne a du cône 13 est
avantageusement compris entre 60 et 120 , de préférence entre 70 et 110 .
Ces
paramètres conduisent à une forme optimale de la zone d'oxydation 17. Si le
cône est
plus évasé, i.e. si son angle interne a est supérieur à 120 , d'une part
l'écoulement de la
biomasse au-dessus du cône est difficile, d'autre part la recirculation des
gaz à l'intérieur
du cône n'est pas suffisante pour permettre une bonne oxydation des gaz de
pyrolyse. Si
le cône est moins évasé, i.e. si son angle interne a est inférieur à 60 , il
ne constitue pas
un obstacle suffisant à l'écoulement de la biomasse et ne permet donc pas de
définir une
zone de pyrolyse au dessus du cône, de plus il ne permet pas la recirculation
des gaz de
pyrolyse à l'intérieur du cône.
Ainsi la présence simultanée dans la zone d'oxydation 17 des entrées d'air
périphériques 4,19,29 et de l'entrée d'air centrale constituée par la canne et
le cône 5,13
permet une alimentation en air homogène de la zone d'oxydation 17, ce qui
permet
d'augmenter le rendement du gazéifieur 14. La présence du cône 13 apporte en
outre une
zone supplémentaire d'oxydation des goudrons dans une zone spécifique située
sous le
cône.
Dans un réacteur à co-courant selon l'état de la technique, la concentration
en particules
du gaz produit est plus forte que dans un réacteur à contre-courant. En effet,
le gaz
traverse le coke en phase de réduction alors que sa granulométrie devient très
fine. Le
gaz entraîne ainsi une partie des particules de coke et de cendres en sortie
de réacteur.
Dans le dispositif de l'invention, le problème devient critique du fait de
l'augmentation de
la puissance apportée par la présence du cône. De ce fait, afin de minimiser
la teneur en
particules du gaz de synthèse, il est important de limiter la vitesse du gaz
de synthèse
lorsqu'il quitte le lit de coke afin de réduire l'entraînement des particules.
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Les dispositifs existants prévoient une sortie des gaz par la grille
inférieure du gazéifieur,
ils ne permettent pas de réduire la vitesse d'extraction du gaz, car la taille
de la grille, et
ses ouvertures, sont nécessairement limitées pour contenir le décendrage.
Dans un mode de réalisation particulier du dispositif 14 de la présente
invention, le gaz de
5 synthèse quitte le réacteur 14 par la zone annulaire tronconique 11
située au-dessus de la
grille 8. La superficie de cette zone annulaire tronconique 11 (définie par la
surface du
talus de biomasse au-dessus de la grille 8 est de l'ordre de trois à dix
fois supérieure
(préférentiellement environ quatre à six fois supérieure, et encore plus
préférentiellement
environ cinq fois supérieure) à la superficie des ouvertures pratiquées dans
la grille 8.
10 Ceci diminue du même facteur la vitesse d'extraction des gaz de synthèse
par rapport à
leur extraction à travers la grille 8. Ainsi, le dispositif 14 de la présente
invention permet
une évacuation du gaz de synthèse à faible vitesse de manière à limiter
l'entraînement
des particules. En effet, du fait que la superficie de la zone d'évacuation
annulaire 11 est
très supérieure aux ouvertures pratiquées dans la grille, la vitesse
d'extraction des gaz est
très inférieure à ce qu'elle serait par une extraction à travers la grille 8.
L'entrainement
des particules de coke et de cendre est ainsi très limité.
D'autres avantages liés à l'extraction des gaz par la zone annulaire 11 sont
également
apparus. La perte de charge dans le lit de solide a été fortement diminuée. En
effet, la
granulométrie la plus fine du lit de solide 15 se situe à proximité immédiate
de la grille 8,
la conversion du coke en gaz de synthèse produisant des grains de plus en plus
fins. Cela
signifie que la porosité du lit 15 est plus faible au dessus de la grille que
dans la partie
supérieure du lit de solide.
Lorsque l'extraction du gaz se fait sous la grille, le gaz doit traverser ce
solide très fin pour
passer à travers la grille, la perte de charge est très importante ce qui
implique
généralement d'installer un extracteur de forte puissance sur la ligne de gaz
de synthèse
et augmente la consommation électrique liée à l'extraction des gaz. De plus,
il est
également difficile de pousser la conversion du coke très loin car cela
résulte en une
granulométrie très fine. La teneur en carbone des cendres reste donc
importante ce qui
limite le taux de conversion de la biomasse en gaz de synthèse. Or, dans le
gazéifieur 14
selon l'invention, l'extraction des gaz se fait au-dessus de la grille 8, les
gaz n'ont donc
pas à traverser la couche de particules fines. La granulométrie du coke peut
être très fine
sur la grille 8 sans augmenter la perte de charge sur la ligne de gaz de
synthèse. Cela
permet d'utiliser un extracteur de moindre puissance et de limiter la
consommation
électrique de ce poste.
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WO 2013/098525 PCT/FR2012/053086
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En outre, dans un autre mode de réalisation particulier du gazéifieur 14 selon
l'invention,
une autre entrée de gaz réactif est prévue sous la grille 8 par le conduit 7
qui peut être un
conduit annulaire. Dans ce mode de réalisation, il est possible d'injecter du
gaz réactif
sous la grille 8 afin de maximiser la conversion du coke et de limiter la
teneur en carbone
des cendres. Cela se traduit par un gain en rendement du gazéifieur 14.
Dans un mode de réalisation particulier et avantageux, une entrée de gaz
réactif au
moyen d'un tube central 6 est prévue au-dessus de la grille 8. L'injection de
gaz réactif
au-dessus de la grille 8 permet d'étendre la zone chaude du coke vers le bas
du réacteur
14. Ainsi, la conversion du coke est maximisée, et le rendement du gazéifieur
14 se
trouve encore amélioré. Un mode de réalisation qui présente à la fois une
entrée de gaz
réactif 7 sous la grille 8 et une entrée d'air 6 débouchant dans des trous
d'injection 27
situées au-dessus de la grille 8 est illustré sur la figure 1.
En outre, les entrées de gaz réactif 6,7 supplémentaire permettent une
réduction
significative de la teneur en carbone des cendres, et donc une augmentation du
rendement global du gazéifieur 14.
Le gaz de synthèse produit par le gazéifieur 14 selon l'invention peut être
brûlé ou utilisé
comme matière première dans des réactions chimiques, telles que la synthèse
Fischer-
Tropsch.
De manière typique, la paroi externe du gazéifieur 14 selon l'invention peut
être réalisée
en acier, et la paroi interne, qui est en contact avec la biomasse, en béton
réfractaire.
Des essais ont été effectués sur un réacteur selon la figure 1 avec un
diamètre intérieur D
de 740 mm et une puissance thermique maximale de l'ordre de 300 kW. Les
températures dans les différentes zones du réacteur ont été déterminées dans
différentes
conditions de fonctionnement. De manière avantageuse, dans la zone de séchage
25, la
température est de l'ordre de 90 à 120 C, dans la zone de pyrolyse 16 de
l'ordre de 250 à
500 C, dans la zone d'oxydation 17 de l'ordre de 800 à 1300 C, et dans la zone
de
réduction 18 de l'ordre de 1100 à 700 C.
Dans un mode de réalisation particulier, le cône 13 a un angle interne oc
d'environ 80 .
On a mesuré la température du gaz de synthèse et la température du gazéifieur
durant
les 15 premières heures de fonctionnement. On a également mesuré la pression
en haut
et en bas du gazéifieur. Les courbes sont présentées sur les figures 5a et 5b.
La
température syngaz est la température du gaz produit à la sortie du
gazéifieur. La
température réacteur est la température du gaz dans la partie haute du
gazéifieur. La
pression bas réacteur est la pression mesurée en bas du gazéifieur. La
pression
haut réacteur est la pression mesurée en haut du gazéifieur. La différence
entre ces
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deux valeurs indique la perte de charge du lit de solide traversé par le gaz.
Les pressions
sont indiquées en mmCE sur les courbes. Ce sont en fait des pressions
négatives car le
réacteur est en légère dépression.
Pour caractériser la composition chimique du gaz de synthèse obtenu, on a
réalisé
successivement deux prélèvements de gaz (référencées SCA1 et SCA2) dans des
bonnes conditions de fonctionnement du réacteur 14. L'analyse des deux
bouteilles de
gaz a été effectuée par microchromatographie en phase gazeuse. Les résultats
sont
présentés ci-dessous ; les pourcentages sont des valeurs volumiques.
H2 02 N2 CH4 CO CO2
SCA1 14,18% 0,89% 46,61% 1,77% 21,03% 7,28%
SCA2 14,00% 0,69% 46,03% 2,03% 20,89% 7,85%
