Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2010/063923 PCT/FR2009/052306
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INSTALLATION A CYCLE THERMOCHIMIQUE POUR COMBUSTIBLES
REACTIFS
L'invention concerne une installation à cycle thermochimique
pour combustibles réactifs.
Pour capturer puis stocker les émissions de dioxyde de carbone
des installations de production d'énergie utilisant des combustibles
solides d'origine fossile ou non fossile, tels que les biomasses, les
développements technologiques ont mené à des voies multiples qui
visent notamment à éliminer l'azote de l'air en amont de l'installation en
utilisant de l'oxygène produit par une unité cryogénique de séparation
d'air, par exemple pour la pré capture de dioxyde de carbone par
gazéification préalable des combustibles ou pour oxycombustion avec
de l'oxygène quasi pur mélangé à des fumées recyclées de dioxyde de
carbone et vapeur d'eau. La production d'oxygène constitue le verrou
technologique et économique de ces filières qui peut être contourné par
l'intégration directe de cette production d'oxygène dans le processus de
combustion par cycle thermochimique
Les cycles thermochimiques de transport d'oxygène utilisant des
oxydes métalliques pour la production de dioxyde de carbone pur à
partir de combustibles fossiles remontent aux années 1950 et utilisaient
des lits fluidisés denses interconnectés. Puis est apparue l'utilisation des
mêmes techniques pour une finalité différente à atteindre qui est celle
de la combustion de combustibles fossiles pour production d'électricité
avec capture intégrée de dioxyde de carbone, utilisant des lits fluidisés
circulants et non plus des lits fluidisés denses.
Ensuite, il est apparu que l'utilisation de lits fluidisés rapides et
non plus de lits fluidisés circulants est seule adaptée à fournir les débits
de particules solides porteurs d'oxygène afin d'assurer une combustion
complète et non pas une oxydation partielle des combustibles.
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La configuration généralement adoptée pour les cycles
thermochimiques est celle de deux boucles à lit fluidisé circulant
interconnectées pour la circulation de particules solides circulants avec
pour chacune des boucles, un réacteur, un séparateur cyclone associé,
une conduite de retour avec un siphon et éventuellement une barrière
du soufre et du carbone. Une telle installation présente une complexité
certaine et augmente les coûts d'investissement et de maintenance.
Le document de brevet 2003/0035770 décrit un procédé de
production d'hydrogène par traitement de gaz de synthèse combinant
un réacteur à lit fluidisé par un mélange de gaz de synthèse et de
vapeur d'eau et un réacteur qui peut être mobile et descendant dans
lequel est injecté un mélange d'oxygène et de vapeur d'eau. Ces deux
réacteurs sont interconnectés afin de réaliser une réaction de CO
shift appelée en français conversion déplacée du monoxyde de
carbone et de convertir le monoxyde de carbone présent dans le gaz
de synthèse en dioxyde de carbone qui est combiné en carbonates
grâce au calcium présent dans cette boucle qui contient également des
oxydes de fer assurant un transfert d'oxygène.
Outre le fait qu'une telle installation soit destiné au traitement de
gaz et non à la production d'énergie, les réacteurs ne sont pas isolés
entre eux en ce qui concerne les gaz, et les échanges de gaz en
résultant entraînent de mauvaises performances de traitement.
L'objet de l'invention est de rechercher la compacité maximale
d'un réacteur à cycle thermochimique pour réduire les coûts
d'investissement, tout en le rendant capable d'assurer des fonctions de
conversion complète de combustibles solides d'origine fossile ou non
fossile dans le cas d'une combustion et dans le cas d'une oxydation
partielle.
En particulier les combustibles réactifs, dont les combustibles
solides à teneur importante en humidité et matières volatiles, ne
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requièrent que des temps de séjour limités pour convertir le résidu carboné
solide qui est
très réactif. Ceci s'applique particulièrement aux biomasses, à la tourbe, aux
lignites, aux
schistes bitumineux, aux sables bitumineux, aux charbons sub-bitumineux et aux
résidus
pétroliers.
Pour ce faire, l'invention propose une installation à cycle thermochimique
comportant un réacteur d'oxydation à lit fluidisé rapide, contenant des
particules solides
de réaction thermochimique, un premier séparateur cyclone associé et un
agencement de
retour des solides en sortie de ce séparateur cyclone vers ledit réacteur,
ledit agencement
de retour comportant un réacteur de réduction constitué d'un lit mobile
descendant,
caractérisée en ce que ledit réacteur de réduction comportant une conduite
verticale
comporte une alimentation en combustible réactif et comporte plusieurs
injections d'un
mélange de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau réparties sur la hauteur de
ladite
conduite verticale, en ce que ce réacteur de réduction est associé à un second
séparateur
cyclone associé à une conduite de retour vers le réacteur d'oxydation, en ce
que ledit
premier séparateur cyclone comporte à sa sortie des solides un premier siphon
d'étanchéité aux gaz et en ce que ledit second séparateur cyclone comporte à
sa sortie des
solides un second siphon d'étanchéité aux gaz.
Pour ce faire, l'invention propose aussi une installation à cycle
thermochimique
comportant un réacteur d'oxydation à lit fluidisé rapide, contenant des
particules solides
de réaction thermochimique, un premier séparateur cyclone associé et un
agencement de
retour des solides en sortie de ce séparateur cyclone vers ledit réacteur,
ledit agencement
de retour comportant un réacteur de réduction constitué d'un lit mobile
descendant,
caractérisée en ce que ledit réacteur de réduction comporte une alimentation
en
combustible réactif et comporte plusieurs injections d'un mélange de dioxyde
de carbone
et de vapeur d'eau, en ce que ce réacteur de réduction est associé à un second
séparateur
cyclone associé à une conduite de retour vers le réacteur d'oxydation, en ce
que ledit
premier séparateur cyclone comporte à sa sortie des solides un premier siphon
d'étanchéité aux gaz et en ce que ledit second séparateur cyclone comporte à
sa sortie des
solides un second siphon d'étanchéité aux gaz.
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L'invention propose une installation de configuration simplifiée de lit
fluidisé
rapide et de lit mobile qui combine deux réacteurs intégrés en série pour
réaliser un cycle
thermochimique de conversion de combustibles avec capture de dioxyde de
carbone.
En regard d'un réacteur à lit fluidisé circulant qui présente une
concentration en
solides de l'ordre de 10 kg/m3 à son sommet et de l'ordre de 500 kg/m3 à sa
base, un
réacteur à lit mobile présente l'avantage d'une très forte concentration en
solides de
l'ordre de 800 à 3000 kg/m3 ce qui assure une très grande compacité de
l'installation.
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L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre
d'une telle installation, caractérisé en ce qu'il consiste à régler la
température dudit réacteur à lit fluidisé rapide et dudit réacteur à lit
mobile par sélection de la quantité et de la composition desdites
particules solides de réaction thermochimique, et par réglage de leur
degré d'oxydation et de réduction au moyen du débit du gaz alimentant
lesdits réacteurs.
Les particules solides de réaction thermochimique sont de
préférence des oxydes métalliques.
Chaque type d'oxyde métallique, seul ou mixtes, possède
plusieurs niveaux d'oxydation possibles, par exemple Fe en FeO, Fe203,
Fe304, Mn en MnO, Mn203, Mn304 et inversement pour les degrés de
réduction. Ces degrés d'oxydation et de réduction sont des paramètres
pouvant être ajustés par la composition des oxydes mixtes, de façon à
piloter précisément les chaleurs réactionnelles libérées dans chaque
réacteur. Par ailleurs, les réactifs injectés (air d'oxydation et
combustible) qui réagissent avec les oxydes métalliques et leur mode
d'injection par étagement sont également un moyen d'action sur ces
degrés de réduction et d'oxydation. Enfin, les temps de séjour des
oxydes dans chaque réacteur constituent le dernier levier d'ajustement
de ces degrés d'oxydation et de réduction.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures
ne représentant que des modes de réalisation préférés de l'invention.
La figure 1 est une vue schématique en élévation d'une
installation de combustion conforme à l'invention.
La figure 2 est une vue schématique en élévation d'une
installation de gazéification ou d'oxydation partielle conforme à
l'invention.
Comme représenté sur les figures, une installation à cycle
thermochimique conforme à l'invention comporte un réacteur lA
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d'oxydation à lit fluidisé rapide par de l'air, contenant des particules
solides de réaction thermochimique, de préférence des oxydes
métalliques, un premier séparateur cyclone associé 1B raccordé en
partie haute du réacteur 1A et un agencement de retour des solides en
5 sortie de ce séparateur cyclone vers le réacteur 1A. Le raccordement du
haut du réacteur à lit fluidisé circulant 1A et du séparateur cyclone 1B
associé est effectué par un tronçon de conduite incliné vers le bas,
l'inclinaison étant d'au moins 35 par rapport à un plan horizontal. Cette
inclinaison de 35 peut être réduite à 20 si ce tronçon possède des
fluidisations auxiliaires. Ainsi, il est obtenu un écoulement en phase
dense au bas de ce tronçon de conduite et un écoulement gravitaire en
masse des solides est favorisé. Ce tronçon de conduite débouche dans
le plafond du premier séparateur cyclone 1B à proximité de la
périphérie de ce dernier par une fente en arc de cercle, de largeur
constante. Le bord périphérique externe de cette fente est disposée en
continuité avec la paroi cylindrique du premier séparateur cyclone 1B,
afin de ne pas réduire la vitesse des solides et contribue à un
rendement de séparation gaz / solides optimal dans le cyclone.
En sortie des gaz de ce premier cyclone 1B, est récupéré de l'air
appauvri en oxygène qui est transmis à un dispositif de refroidissement
3, un dispositif de filtration 4 et un dispositif d'évacuation 5 à
l'atmosphère.
L'agencement de retour comporte un réacteur 2A, 2'A de
combustion et de réduction alimenté en combustible réactif à convertir
et constitué d'un lit mobile descendant comportant une conduite
verticale 2A et dans lequel est injecté au moyen de plusieurs injections
2C réparties sur la hauteur de cette conduite verticale 2A, un mélange
recyclé de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau. Ce réacteur de
réduction est associé à un second séparateur cyclone 2B associé à une
conduite de retour 2D des particules solides de réaction thermochimique
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réduites, vers le bas du réacteur d'oxydation 1A. Ces injections de
mélange de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau comprennent une
injection 2E à une haute vitesse comprise entre 20 et 100 m/s située à
proximité de l'entrée dans le second séparateur cyclone 2B.
Ce réacteur de combustion et de réduction 2A se prolonge par un
tronçon de conduite 2'A incliné, l'inclinaison étant d'au moins 35 par
rapport à un plan horizontal. Cette inclinaison de 35 peut être réduite
à 20 si ce tronçon possède des fluidisations auxiliaires. Ainsi, il est
obtenu un écoulement au bas de ce tronçon 2'A et un écoulement
gravitaire en masse des solides est favorisé par l'injection 2E à haute
vitesse située à proximité de l'entrée dans le second séparateur cyclone
2B. Ce tronçon de conduite 2'A débouche dans le plafond du second
séparateur cyclone 2B à proximité de la périphérie de ce dernier par
une fente en arc de cercle, de largeur constante. Le bord périphérique
externe de cette fente est disposée en continuité avec la paroi
cylindrique du second séparateur cyclone 2B, afin de ne pas réduire la
vitesse des solides et contribue à un rendement de séparation gaz /
solides optimal dans le cyclone.
Le premier séparateur cyclone 1B comporte à sa sortie des
solides un premier siphon d'étanchéité aux gaz 1C fluidisé par de la
vapeur d'eau. De même, le second séparateur cyclone 2B comporte à
sa sortie des solides un second siphon d'étanchéité aux gaz 2F fluidisé
par de la vapeur d'eau, éventuellement mélangé avec du dioxyde de
carbone recyclé. Ainsi le réacteur à lit mobile 2A, 2'A est isolé du
réacteur à lit fluidisé lA en son amont et en son aval, en ce qui
concerne le gaz.
Lorsque le combustible est solide, le combustible est alimenté
par chute gravitaire au sommet du réacteur à lit mobile 2A, comme
illustré sur les figures.
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Lorsque le combustible est liquide ou gazeux, il est alimenté par
les injections 2C, 2E de mélange de dioxyde de carbone et de vapeur
d'eau.
Lorsque le combustible est sous forme pâteuse ou en
suspension, il est introduit par pompage et grâce à des injections
réparties sur la hauteur du réacteur à lit mobile 2A.
Le fait de coupler thermiquement sans bypass les deux
réacteurs, c'est-à-dire que la totalité des solides circulants dans un
réacteur traverse les deux réacteurs 1A, 2A en série, nécessite :
- d'optimiser la composition des particules solides de réaction
thermochimique, de préférence des oxydes métalliques, quant à leur
exothermicité et endothermicité ainsi que leur capacité en portage
d'oxygène, puisqu'il n'y a pas de boucle auxiliaire de particules solides
permettant une extraction de chaleur additionnelle,
- des moyens de réglage de la température des réacteurs, qui
sont la quantité d'inventaire de particules solides en circulation, les
degrés d'oxydation et de réduction des oxydes pilotés par les débits de
réactants dans chaque réacteur et enfin la composition des particules
solides de réaction thermochimique, de préférence des oxydes
métalliques en circulation.
Les oxydes métalliques en circulation sont préférentiellement à
base de fer, de manganèse, de cuivre, de nickel ou/et de titane afin de
créer des structures de type pérovskites.
Lorsque l'installation est destinée à une combustion, comme
représentée sur la figure 1, la sortie des gaz du second cyclone 2B
constitué du gaz de conversion généré dans le réacteur à lit mobile 2A
entre les oxydes métalliques et le combustible introduit et contenant
notamment le dioxyde de carbone issu de la conversion, est connectée
à un dispositif de refroidissement 6, un dispositif de filtration 7 et un
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dispositif de condensation 8, pour le transport et le stockage du dioxyde
de carbone.
Lorsque l'installation est destinée à une gazéification ou une
combustion partielle, comme représentée sur la figure 2, la sortie des
gaz du second cyclone 28 constitué du gaz de conversion généré dans
le réacteur à lit mobile 2A entre les oxydes métalliques et le
combustible introduit et contenant notamment le dioxyde de carbone, le
monoxyde de carbone, l'hydrogène, issus de la conversion, est
connectée à un dispositif de refroidissement 6, un dispositif de piégeage
des alcalins 9 de type Na20 et K20 vers 600 C et un dispositif de
piégeage de goudrons 10 vers 400 à 800 C, de préférence vers 400 C,
pour l'utilisation en gaz d'alimentation de moteur ou après une
compression préalable en turbine à gaz 11 ou directement en gaz
d'alimentation de brûleurs d'une chaudière 12 existante ou nouvelle.
