Brevet FR2473913A1 — publié le 19810724

1.- 2473913 L'invention concerne un procédé pour conver- tir des déchets solides en énergie. L'augmentation mondiale de la population a pour conséquence la culture de territoires plus vastes, la demande accrue pour l'énergie et la pollution croissante de l'environnement. Ces tendances ont accru le volume des déchets agricoles et d'autres matériaux de biomasse, et développé le besoin de trouver des moyens non polluants pour libérer l'énergie que renferment ces matières. Un exemple est constitué par le son du grain de riz, la partie indigeste 8tée lors de la mouture. Sa valeur nutritive est tellement faible, qu'elle ne convient pas pour le fourrage. P.H. Mehta et N. Pitt estiment dans 2 Resource Recove- ry and Conservation 23-38 (1976) que la production annuelle mondiale de 300 millions de tonnes de riz, entratne la production de 60 millions de tonnes de son. Essayer d'abaisser cette produc- tion conduit à des usines peu florissantes et un rendement diminué. Brûler le son à ciel ?uvert pollue l'air de façon inacceptable. Brûler dans des chaudières classiques entraîne le revêtement des parties intérieures par de la cendre fondue, la pollution de l'air et l'absence de produit secondaire, sauf la cendre pour la fabrication de ciment ou comme charge dans le caoutchouc. L'inventeur a découvert que la pyrolyse, ou la décomposition par la chaleur sans oxydation totale, de matières de la biomasse dans un réacteur à lit fluidisé, va produire des gaz à faible pouvoir calorifique, de l'huile pyrolytique, et une cendre solide carbonée à teneur élevée en silice, sans pollution notable de l'air. Une température de trav-il inférieure à celle des chaudières traditionnelles empOche la fusion de la cendre et la formation de scories, néanmoins, les taux d'efficacité et de transfert calorique sont plus élevés, et le temps de réponse aux changements dans la demande de vapeur est raccourci. Une capacité plus élevée augmente la souplesse de travail. Le procédé ne décompose pas seulement le son de riz, mais aussi les déchets de bois, le charbon, les coquilles, les déchets de coton, la paille, la tourbe, le pétroleum, le coke, le papier, les coquilles de noix, le marc de café, les déchets municipaux solides et les produits en 2.- 2473913 caoutchouc comme les pneus. Conformément au procédé selon l'invention, la matière de biomasse est fragmentée, ou traitée de façon à réduire ses dimensions à des proportions acceptables. En même temps, la matière peut être séchée de façon à réduire sa teneur en humidité. La matière est alors alimentée dans un appareil à pyrolyse ayant la forme d'un réacteur à lit fluidisé. Le gaz pour la fluidisation peut être fourni par un souffleur à dépla- cement positif ou une machine similaire, et des soupapes de détente peuvent réguler la pression dans le lit. Les produits intéressants comme les gaz, huiles et le charbon de bois qui quittent le réacteur, sont séparés dans un cyclone ou un autre type de séparateur, et le gaz et l'huile peuvent alors être utilisés comme source d'énergie pour n'importe quel usage. Par exemple, on peut les utiliser pour produire de la vapeur, ou pour satisfaire les besoins électriques du système. Le charbon de bois peut être stocké à volonté et il peut être recyclé. Le volume du charbon de bois est une petite fraction du volume original de la biomasse. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-dessous et en regard des dessins annexés, dans lesquels les figures représentent: - figure 1: un schéma représentant les différentes étapes du procédé de conversion de la biomasse selon l'invention, - figure 2: vue schématique d'un appareil de conversion selon le procédé de la figure 1. Conformément à l'invention, les matières de biomasse sont gazéifiées dans un réacteur à lit fluidisé pour conduire à des produits énergétiques purs, sous forme de gaz, d'huile ou de charbon de bois. Les proportions de ces produits obtenus au terme du procédé, dépendent de la température de travail, de la vitesse de fluidisation et de la matière de départ. Les produits énergétiques propres caracté- ristiques sont les suivants: a) huile: une huile lourde, noire, semblable à l'huile résiduelle n06,ayant un pouvoir calorifique de l'ordre de 5555 à 6666 kilo-calories par kg, et une consistance qui varie entre celle de la peinture et celle du bitume léger à 3.- 2473913 température ambiante. Ce produit peut être mélangé avec de lthuili résiduelledans la plupart des cas, ou il peut être brûlé séparé- ment dans des installations de combustion pour fuel ou charbon. b) charbon de bois: une matière en poudre fine ressemblant au charbon, qui peut être brûlé dans un brûleur à lit fluidisé, ou bien, il peut être mélangé avec de l'huile ré- siduelle Du pyrolytique, ou encore utilisé tel quel, comme charbon de bois ou noir de carbone. c) gaz: ce gaz a un pouvoir calorifique de 712 à 2670 kilocalories par m * Le gaz contient des proportions élevées de monoxyde de carbone et d'hydrogène, mais il contient également entre 10 et 50 % d'eau. Le produit gazeux peut être facilement brûlé dans une installation de combustion externe, comme une chaudière à vapeur ou une turbine à gaz. Le schéma de procédé représenté sur la figure 1 suggère les différentes étapes du procédé selon l'in- vention. Conformément à la figure 1, la biomasse à traiter est alimentée dans un fractionneur, de façon à convertir la masse à des dimensions appropriées. Ensuite, le matériau fractionné est séché afin de réduire sa teneur en humidité à la valeur limite, imposée par le convertisseur à gaz, au matériau qui l'alimente. Après le pré-traitement du matériau de façon à obtenir des dimensions et une teneur en humidité convenables, on introduit le matériau dans un réacteur à lit fluidisé, ayant un lit inerte en un matériau comme le sable réfractaire, les biles d'alumidun, le verre, etc... Le matériau est alors gazéifié pour donner des produits énergétiques purs tels que l'huile, le chàrbon de bois et le gaz. Les produits gazéifiés sont alors envoyés dans un séparateur o le charbon de bois peut être séparé de l'huile et du gaz, ou encore les trois produits peuvent être séparés les uns des autres. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le charbon de bois est renvoyé dans le gazéifi- cateur pour être brûlé dans le lit fluidisé. Les autres produits, notamment le fuel et le gaz, peuvent être brûlés pour donner naissance à une énergie électrique ou une énergie sous forme de vapeur, qui peut être utilisée à son tour dans l'installation. Par exemple, l'énergie électrique peut être utilisée pour faire marcher l'appareil à fractionner, le sécheur, ou le souffleur alimentant le gaz fluidisant, et la vapeur peut être utilisée 4.- 2473913 comme source de chaleur pour le sécheur. La figure 2 représente une installation caractéristique pour la mise en oeuvre du procédé. Sur cette figure, il est indiqué une aire de stockage 1 o la biomasse arrive. Cette matière peut avoir des dimensions de l'ordre de 2,5 x 7,5 cm. Lorsque la matière doit être traitée, elle est amenée par une bande transporteuse 2 à ltappareil à fraction- ner 3, pour-réduire ses dimensions à 6 mm ou moins. L'appareil à fractionner peut être du type broyeur à marteau, avec une capacité de 1,5 tonnes par heure. La matière de biomasse tombe de l'appareil à fractionner dans le séchoir 4, lequel peut comporter une vis de transport, pour réduire son taux d'humidité à la valeur limite imposée par l'installation. Normalement, cette teneur doit être réduite à 50 % en poids ou moins. La chaleur peut être fournie au séchoir en faisant passer de la vapeur à travers les vis, et cette vapeur peut être engendrée en utilisant l'huile et le gaz produits par l'installation, comme il a été suggéré plus haut. La matière séchée peut être amenée par une bande 5 et un élévateur 6, à la trémie dtalimentation 10 du lit fluidisé. La trémie 10 est en liaison, au moyen d'une soupape d'arrêt 12 et une vis d'alimentation 14, avec l'entrée 16 de la chambre de gazéification 18 du réacteur 20. Les murs intérieurs du réacteur peuvent être revêtus d'un matériau réfrac- taire, et avant le démarrage, on place sur la plaque de distri- - bution 22 horizontale, perforée, une matière inerte telle que le sable, des billes d'alumdun, du verre et... La plaque distribu- trice 22 est en desous de l'entrée 16 et sépare la chambre supérieure de fluidisation 18 de la chambre inférieure 24 d'ali- mentation en air du réacteur 20. Un gaz fluidisant comme l'air ou des mélanges d'oxygène, azote, dioxyde de carbone et eau, est alimenté dans la chambre 24 durant le traitement, à travers une entrée 26, au moyen d'une soufflerie d'air 28 à déplacement positif. Le gaz fluidisant destiné à la plupart des applications, contient des concentrations en oxygène de l'ordre de O à 21 % en volume, mais peut être encore enrichi en oxygène lorsque la production d'un gaz à pouvoir calorifique plus élevé est souhaitée. On peut atteindre des valeurs allant jusqu'à 4450 kcal/m3. Des 5. 2473913 vitesses de fluidisation de l'ordre de 0,25 à 10 mètres/seconde et des pressions de l'ordre de 1-8 psi sont recommandées. Durant le démarrage, l'air est alimenté à travers une autre entrée 30 à partir d'un brûleur à gaz 32, qui va amener la chambre 18 à la température de travail de 4000 C - 11000 C, en deux heures environ. Comme la biomasse est alimentée à travers l'entrée 16, l'air forcé à travers des douzaines de petits trous 23 de la plaque distributrice 22, à partir de la chambre 24, fluidise les particules de biomasse et les mélange avec le sable réfractaire ou autre matière inerte utilisée dans le lit. La matière traitée revêt l'aspect d'un liquide en ébul- lition, et le courant d'air environnant soumet toutes les surfaces particulaires à un m8me apport d'air et de chaleur. Les particules se scindent rapidement en huile, gaz et charbon de bois/cendre, lesquels, ayant un rapport plus élevé-entre la surface de friction et le poids que les particules de biomasse, sont directement soufflés vers le haut à travers la sortie 34 dans la chambre supérieure 18, et à travers un tube 36, vers un cyclone séparateur classique 38. Le rapport fuel/gaz peut être ajusté en faisant varier la température de travail, par exemple, dans le cas d'une matière de biomasse comme le son de riz, on produit plus d'huile à 5000 C, alors que la proportion de gaz augmente et celle de l'huile diminue lorsque la tempé- rature monte à 8000 C. Le gaz produit possède un pouvoir calo- rifique de 2225 Kcal/m3. Une certaine quantité de charbon de bois, comprenant environ 90 % de carbone, est produite en même temps que la cendre, et l'on voit qu'elle est recyclée à partir du cyclone 38, à travers une vis d'alimentation à cendre 40, à travers l'entrée 42, dans la chambre 18 du réacteur 20. Elle est brûlée pour aider à maintenir la température de réac- tion. Une certaine partie de cendre est continuel- lement 8tée, encore chaude, du cyclone, au moyen d'une soupape à rotation 44, et envoyée par une vis d'alimentation 46, sous un jet 48 d'eau de refroidissement, à un transporteur à seaux pour la cendre. Le transporteur déverse la cendre dans une chute 52 par laquelle elle arrive dans un silo de stockage en verre 54. Le silo peut être équipé de sa propre vis d'alimenta- tion 56 pour décharger et évacuer la cendre. Cette cendre est 6.-. 2473913 de la silice à pouvoir élevé, et ne constitue qu'une fraction du volume de la biomasse d'origine, peut-9tre 20 %. Selon la figure, le fuel et le gaz dui cyclone 39 sont soutirés ensemble au sommet du cyclone à travers le conduit 59; bien que le fuel puisse être condensé, il est plus simple de le laisser sous forme gazeuse pour 9tre brûlé en commun avec le gaz. Comme indiqué plus haut, le gaz et/ou l'huile peuvent être utilisés pour produire de la vapeur destinée au séchoir, ou de l'énergie électrique, pour faire fonctionner n'importe quel appareil de l'installation. Ceci est représenté sur la figure 2 sous la forme d'un brûleur à gaz classique 58 utilisé avec un ventilateur 60 et une chaudière 62 pour produire de la vapeur. La chaudière 62 peut être une chaudière standard à tubes conçue pour la production de vapeur saturée à 10, 35 bars de pression. Les gaz légers sont évacués dans l'atmosphère à travers une cheminée 64, et il n'est pas nécessaire de prévoir un contr8le des émissions étant donné la faible teneur en poussière des gaz. Des installations auxiliaires du type chaudière classique peuvent être utilisées si nécessaire. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour convertir une matière de biomasse en produits énergétiques purs, caractérisé par les étapes suivantes 2 - alimentation de la biomasse avec des dimensions de particule prédéterminées et un taux d'humidité inférieur à une limite prédéterminée, - fluidisation de la biomasse avec un gaz contenant une proportion contr8lée d'oxygène, - gazéification de la biomasse à une tempé- rature de l'ordre de 400 à 11000 C, produisant une combinaison d'huile, de gaz et de charbon de bois, et - séparation des produits obtenus. 2.- Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on valorise les produits obtenus pour en- gendrer de lténergie, et que l'on utilise cette énergie suivant les besoins du procédé. - 3.- Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on valorise les produits obtenus pour créer de la chaleur destinée à sécher la biomasse avant sa fluidisatior 4.- Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on fournit une matière de biomasse avec des dimensions de particule de l'ordre de 6 mm ou moins, et avec un taux d'humidité de 50 % en poids, ou moins. 5.- Procédé pour convertir une matière de biomasse en produits énergétiques purs, caractérisé par les étapes suivantes ô - fournir une biomasse à convertir, - fractionner la matière pour réduire ses dimensions à moins de 6 mm de diamètre, - sécher la matière fractionnée de façon à réduire son taux d'humidité à moins de 50 % en poids, - transporter la matière sur un lit fluidisé et fournir simultanément un gaz fluidisant avec une concentration en oxygène de l'ordre de O à 21 /0 en volume, gazéifier la biomasse à une température de l'ordre de 400 à 11000 C, et soutirer en tête les produits à valoriser qui sont le gaz, l'huile et le charbon de bois. 8. 2473913 6.- Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'on sépare le charbon de-bois du gaz et de l'huile. 7.- Procédé selon'la revendication 6, carac- térisé en ce que l'on utilise le *gaz et/ou l'huile pour créer de l'énergie, et que l'on utilise cette énergie pour satisfaire au moins une partie des besoins en énergie du procédé. 8.- Installation pour convertir la biomasse en énergie, caractérisée en ce qu'elle comprend un réacteur, une plaque de distribution perforée dans le réacteur, une conduite d'introduction reliée au réacteur pour l'alimenter en biomasse au-dessus de la plaque, des moyens comportant une pompe reliée au réacteur pour introduire un gaz contenant de l'oxygène dans le réacteur en-dessus de la plaque pour fluidiser la biomasse dans le réacteur, un brûleur de démarrage relié au réacteur pour amener ce dernier à la température de travail - nécessaire à la conversion-de la biomasse en une combinaison de gaz, huile et charbon de bois, une conduite de décharge partant du haut du réacteur pour en évacuer les produits à valoriser, et un séparateur relié à ce conduit pour séparer les produits à valoriser. 9.- Installation selon la revendication 8, caractérisée par des moyens reliés au séparateur pour recycler le charbon de bois dans le réacteur au-dessus de la plaque. 10.- Installation selon la revendication 8, caractérisée par des moyens reliés au 'parateur pour engendrer de l'énergie à partir du gaz et/ou de l'huile. 11.- Procédé pour convertir une matière de biomasse en produits énergétiques purs, comprenant des gaz à haut pouvoir calorifique, procédé caractérisé par les étapes suivantes: - fournir la biomasse à convertir, - fractionner la matière pour réduire ses- dimensions à moins de 6 mm, , - sécher la biomasse fractionnée pour réduire son taux d'humidité à moins de 50 % en poids, - puis transférer la matière sur un lit xfluidisé et fournir simultanément un gaz fluidisant avec une concentration en oxygène supérieure à 20 e%0 en volume, 9. 2473913 gazéifier la biomasse à une température de l'ordre de 40O à 1100 c, et soutirer en tête d'appareil les produits à valoriser qui sont les gaz, l'huile et le charbon de bois. 1.2.- Procédé pour convertir des pneus en produits énergétiques purs, caractérisé par l'alimentation des pneus avec des dimensions de particule prédéterminées, et un taux d'humidité inférieur à une limite prédéterminée; la fluidisation des pneus au moyen de gaz contenant une proportion contrôlée d'oxygène; la gazéification des pneus à une tempé- rature de l'ordre de 400 à 11000 C, pour produire une combinai- son de gaz, huile et charbon de bois, et la séparation de ces produits.