Brevet FR2514073A1 — publié le 19830408

La présente invention concerne une installation permet- tant d'effectuerla pyrolyse de produits végétaux tels que des coques, des enveloppes de graines, ou autres déchets li- gno-cellulosiques, ainsi que le procédé de fonctionnement de cette installation. On sait que, dans certaines industries, il est néces- saire de procéder à l'élimination d'abondantes quantités de déchets végétaux C'est le cas notamment pour la production des huiles à partir de graines de tournesol ou de colza. Un procédé couramment utilisé consiste à laisser sécher les déchets, puis à les faire br Aler Ce procédé ne donne pas satisfaction pour les raisons suivantes: La combustion réalisée à l'air libre a lieu à une tem- pérature relativement peu élevée, et est de ce fait très in- complète, étant donné que les produits lourds tels que les goudrons contenus dans les déchets traités ne sont pas com- bustibles à basse température Les déchets ne br lent pas complètement, et il faut encore éliminer par d'autres moyens les divers imbrglés qui sont des produits organiques lourds et polluants. Les fumées dégagées par la combustion sont elles-mê- mes très polluantes, étant donné que ces fumées entraînent des petites particules de goudrons imbr lés dans l'atmosphère. On ne retire généralement aucun bénéfice de la des- truction des déchets, l'énergie récupérable sous forme de cha- leur ne pouvant pas 8 tre récupérée avec un rendement intéres- sant, et étant rarement utilisable directement sans transfor- mation. L'invention a pour but de réaliser une installation de pyrolyse évitant les inconvénients précités. Une installation de pyrolyse suivant l'invention est ca- ractérisée en ce qu'elle comprend: au moins un four comprenant d'une part une chambre cen- tra le o s'effectue une combustion incomplète accompagnée d'une décomposition chimique, et d'autre part une chambre pé- riphérique o s'effectue une combustion complète des produits de décomposition. une turbine à gaz dans laquelle le four précité joue le rôle de chambre de combustion, les gaz de combustion 14073 étant envoyés sur la roue à haute pression de la turbine tandis que la compresseur propulsé par ladite roue à hau- te pression alimente le four en air atmosphérique compri- mé et chaud Suivant une caractéristique supplémentaire de l'in- vention, l'installation est susceptible de comprendre un échangeur de chaleur muni d'un disque poreux qui tour- ne et qui est traversé parallèlement à son axe d'une part par les gaz brûlés issus de l'échappement de la turbi- ne, et d'autre part par l'air comprimé issu du compresseur, la chaleur prélevée au sein des gaz brûlés réchauffant l'air comprimé. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'in- vention, la chambre centrale et la chambre périphérique du four sont délimitées à l'intérieur d'un m 8 me tambour o la chambre centrale cylindrique et la chambre périphé- rique annulaire sont coaxiales, ce tambour étant lui-mê- me situé à l'intérieur d'un carter externe du four tan- dis que l'air provenant du compresseur de la turbine ar- rive dans l'espace délimité entre le tambour et le carter externe du four, l'air nécessaire à la combustion-étant prélevé dans ledit espace appelé "espace relais". Suiveat une caractéristique supplémentaire de l'in- vention, un flux d'air primaire de combustion est établi à l'aide d'une portion de tube qui traverse la paroi du tambour et qui s'étend axialement dans le four, cette por- tion comportant d'une part, en regard de l'espace délimi- té entre le tambour et le carter externe du four, des lu- mières d'entrée d'air, et d'autre part, à l'intérieur de la chambre cylindrique du four, une série de petits ori- fices d'alimentation d'air. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'in- vention, un flux d'air secondaire est établi à l'aide d'une structure annulaire creuse qui sépare dans le tam- bour la chambre centrale cylindrique de la chambre annu- laire, cette structure annulaire creuse permettant d'une part le passage des gaz combustibles de la chambre cen- trale à la chambre annulaire, et d'autre part, le passage de l'air entre l'espace délimité entre le tambour et le carter externe du four et la chambre annulaire, Suivant une caractéristique supplémentaire de l'inven- tion, la structure annulaire creuse est constituée par une série de petites portions de tube parallèles à l'axe du four, chaque petite portion de tube comportant d'une part une ex- trémité débouchant à l'intérieur de l'espace délimité entre le tambour et le carter externe du four, et d'autre part u- ne série de petits orifices d'alimentation d'air-débouchant radialement à l'intérieur de la chambre annulaire. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'inven- tion, le four comporte au moins un conduit d'évacu 6 tion des gaz de combustion qui s'ouvre radialement sur la paroi cy- lindrique externe de la chambre annulaire, et qui est pour- vu d'orifices pour l'entrée d'air tertiaire de combustion en provenance de l'espace délimité entre le tambour et le carter externe du four Suivant une caractéristique supplémentaire de l'inven- tion, les gaz de combustion traversent un-séparateur à cy- clone dans lequel ils se séparent des poussières et parti- cules diverses avant d'être envoyés sur les aubages de la roue à haute pression de la turbine, un sas étant prévu dans la partie inférieure du séparateur pour l'évacuation des di- tes poussières et particules. Suivant une variante de l'invention, les circulations de gaz bralés et d'air atmosphérique comprimé ont lieu à contre-courant dans des canalisations coaxiales entre la turbine à gaz et le four. Un procédé pour le fonctionnement de l'installation de pyrolyse suivant l'invention est caractérisé en ce que la chaleur provenant notamment du rayonnement de la structuré annulaire creuse séparant la chambre centrale de la chambre périphérique provoque la décomposition chimique ou "cra- king" des produits traités. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'inven- tion, l'air de combustion envoyé au four est environ à 2000 C, sous une pression d'environ 4 bars, les gaz de combus- tion issus du four étant sous une pression très légèrement inférieure, et à une température d'environ 9000 C. Le dessin annexé, donné à titré d'exemple non limita- tif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. Figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation de pyrolyse suivant l'invention. Figure 2 est une vue du four de l'installation, en section suivant un plan contenant l'axe de ce four. Figure 3 est une section partielle III-III (fig 2). Figure 4 est une vue partielle en perspective de la structure annulaire creuse du four. Figure 5 est une vue d'ensemble d'une installation de pyrolyse suivant une variante de l'invention. On a représenté sur la figure 1 une installation de py- rolyse suivant l'invention Cette installation comprend prin- cipalement un silo de stockage 1, un four 2, un séparateur à cyclone 3 et une turbine à gaz 4. Le silo 1 permet le stockage des matières à traiter. Dans sa partie inférieure, il comporte une vis d'alimenta- tion 5 qui entralne de force les matières dans un conduit 6 suivant un débit réglable de façon assez précise, ce débit dépendant de la vitesse de rotation de la vis, et restant toujours assez faible. Le four 2 est visible en détail sur les figures 2 à 4. Il comprend une chambre cylindrique centrale 7 et une cham- bre annulaire 8 délimitées à l'intérieur dt'un même tambour 9. Le tambour 9 est situé lui-même à l'intérieur d'un carter externe 10 définissant autour du tambour 9 un espace 11 La liaison mécanique entre le tambour 9 et le carter O 10 est établie: a u moyen de vis à téton 12 à orientation radiale par rapport à l'axe du four, _a u moyen de l'extrémité libre du conduit 6, qui est coaxiale avec le four et qui pénètre à l'intérieur de la chambre centrale 7 en passant par le basé au moyen d'une portion de tube 13 qui est également coaxiale avec le four, et qui pénètre à l'intérieur de la chambre centrale 7 en passant par le haut. La portion de tube 13 est utilisée pour injecter dans la chambre centrale 7 un flux d'air primaire de combustion. Cette portion de tube comprend d'une part, en regard de l'es- pace 11, plusieurs lumières 14, et d'autre part, à l'inté- rieur de la chambre centrale 7, une série de petits orifi- ces de distribution d'air 15 L'extrémité inférieure dela portion de tube 13 est obturée par un bouchon 16 pourvu d'orifices de distribution d'air 17. La chambre centrale 7 est séparée de la chambre annu- laire 8 par une structure annulaire creuse composée d'une série de petites portions de tubes 18 parallèles à l'axe du four Cette structure annulaire creuse est utilisée pour injecter dans la chambre annulaire 8 un flux d'air se- condaire de combustion Pour cela, chaque petite portion de tube 18 comporte d'une part une extrémité supérieure 19 ouverte à pleine section dans l'espace 11, et d'autre part une série de petits orifices de distribution d'air 20 dé- bouchant dans la chambre annulaire 8. Deux conduits 21 s'ouvrent radialement sur la paroi externe cylindrique de la chambre annulaire 8 en des empla- cements diamétralement opposés pour assurer l'évacuation des gaz brûlés Ces conduits sont pourvus d'orifices 22 permettant l'entrée d'air tertiaire de combustion en pro- venance de l'espace 11 Chaque conduit 21 est entouré par un joint tubulaire à soufflet 23 reliant ledit conduit 21 au carter externe 10, tandis que chaque conduit 211 coulis- se librement à l'intérieur d'un large orifice 24 du carter externe 10 Cette disposition permet de garantirla ferme- ture étanche de l'espace 11 tout en autorisant le jeu des dilatations entre le tambour 9 et le carter 10. Les conduits 21 sont reliés aux orifices d'entrée du séparateur à cyclone 3 qui comporté à sa partie inférieu- re un sas 25 pour l'évacuation des poussières et des di- verses particules solides contenues dans les gaz de com- bustion Le conduit de sortie 26 du séparateur à cyclone 3 se dirige vers l'étage à haute pression de la turbine à gaz 4. De façon d ssique, l'étage à haute pression de la turbine 4 renferme une roue de compresseur 27 entraînée en rotation par une roue à haute pression 28, par l'inter- médiaire d'un arbre 29 L'étage à basse pression de la tur- bine comprend une roue à basse pression 30 susceptible d'en- tramner un alternateur 31. Les gaz provenant du conduit 26 sont dirigés sur les aubages de la roue à haute pression 28, tandis que l'air at- mosphérique aspiré par le compresseur est comprimé dans un conduit 32 qui débouche en deux emplacements 33 dans le fond du carter 10 du four 2. La turbine peut éventuellement gtre associée à un é- changeur de chaleur 34 muni d'un disque poreux qui tourne constamment, et qui est traversé parallèlement à son axe d'une part par le circuit de gaz d'échappement de la turbi- ne et d'autre part par le circuit d'air comprimé du conduit 32. Le fonctionnement est le suivant: L'espace 11 du four 2 est alimenté enpermanence en air de combustion sous une pression d'environ 4 bars, et à une température deenviron 2000 C L'air atmosphérique com - pressé dans le compresseur de la turbine a éventuellement é- té réchauffé dans l'échangeur de chaleur 34 par-la chaleur récupérée dans les gaz d'échappement. La combustion des matières à traiter commence à se pro- duire dans la chambre centrale 7, en présence du flux d'air primaire issu desorifices 15 et 17, et dans les conditions suivantes: la quantité d'air étant volontairement limitée, la combustion est obligatoirement incomplète. Cette combustion a lieu par ailleurs à une tempéra- ture élevée, par exemple de l'ordre de 600 à 8000 C, la cha- leur étant notamment entretenue par le rayonnement de peti- tes portions de tube 18 La température élevée provoque une décomposition chimique des matières. Cette combustion incomplète accompagnée de décomposi- tion chimique constitue une réaction de pyrolyse La décom- position des matières organiques, ou "cracking", conduit à des produits plus lourds, et à des produits plus légers constitués par des gaz hydrocarbures tous combustibles. Ainsi, la combustion finale est complète grâce à l'apport d'air secondaire par les petites portions de tube 18, et à l'apport d'air tertiaire par les orifices 22 Dans la cham- bre annulaire 8, on obtient une température de 20000 C à la 1 4073 flamme, tandis que les gaz dt'échappement envoyés dans les conduits 21 sont à environ 900 C. Il ne reste dans le four 2 que des cendres minérales inertes qu'on peut évacuer de temps à autre par une trappe de visite non représentée Ces cendres minérales solides ne sont pas polluantes, contrairement aux cendres qui renfer- ment des particules de goudron et autres imbr lés. On note que le fonctionnement de la turbine à gaz res- f O te classique, le four 2 étant simplement utilisé à la mani- ère d'une chambre de combustion. L'installation permet la production d'énergie électri- que par l'intermédiaire de l'alternateur 31 L'électricité est une forme noble d'énergie qui peut etre facilement trans- portée et utilisée avec un bon rendement, alors que les pro- cédés classiques de destruction des déchets végétaux ne per- mettaient qu'une récupération éventuelle d'énergie calori- fique difficile à utiliser avec un bon rendement. Accessoirement, on peut aussi récupérer les gaz d'échap- pement de la turbine, c'est-à-dire les gaz provenant de l'é- tage à basse pression de la turbine, ces gaz étant préala- blement passés successivement sur les aubages de la roue à haute pression 28 et sur les aubages de la roue à basse pres- sion 30 ainsi que dans l'échangeur thermique 34, et sortant à une température de l'ordre de 500 à 600 OC, sous une pres- sion d'environ 1,05 bars Ces gaz propres, constitués essen- tiellement par du gaz carbonique C 02 et de la vapeur d'eau, peuvent être dirigés vers une chaudière à vapeur ou vers un séchoir. Suivant une variante illustrée sur la figure 5, l'ali- mentation du four 2 peut Stre réalisée par le haut Ici, on a prévu deux citernes 35 associées chacune à une vis d'a- limentation 36 En outre, un sas 37 placé à la partie infé- rieure du four permet de récupérer les cendres de la combus- tion sans interrompre le fonctionnement. Dans ce cas, l'air atmosphérique comprimé et les gaz brêlés circulent à contre-courant entre le four 2 et la chaudière 40 dans des canalisations coaxiales 38 et 39 Le réchauffement de l'air atmosphérique comprimé s'effectue du- rant le passage dans la canalisation 38 au contact de la canalisation 39 dans laquelle les gaz d'échappement s'écou- lent. On ne sortirait pas du domaine de l'invention en effec- tuant diverses modifications mineures du dispositif décrit, pap exemple en associant la m 9 me turbine à plusieurs fours, ou en remplaçant la structure annulaire creuse comprenant les petites portions de tube 18 par une autre structure à double paroi capable de laisser passer un flux transversal, par exemple une grille en nids d'abeilles ou une structure ondulée à double paroi. On note que le four à pyrolyse est toujours sous pres- sion Dans le cas d'un fonctionnement en "chaudière-à va- peur",le four à pyrolyse peut ttre alimenté par un venti- lateur, la pression étant alors de l'ordre de 100 à 200 millimètres d'eau. L'installation de pyrolyse suivant l'invention présen- te notamment les avantages suivants: la ombustion finale très complète assure un gain d'énergie par rapport aux procédés traditionnels d'élimina- tion des matières végétales combustibles la combustion très complète est une combustion pro- pre non polluante, tant en ce qui concerne les gaz dégagés, constitués essentiellement par du gaz carbonique et de la vapeur d'eau, qu'en ce qui concerne les cendres minérales solides inertes recueillies, l'énergie fournie par l'installation se présente -sous la forme la plus intéressante pour l'utilisateur, y compris si nécessaire sous forme d'énergie électrique qui est une forme noble d'énergie. En outre, l'invention n'est pas limitée au traitement des déchets végétaux, l'installation de pyrolyse pouvant servir pour traiter aussi bien du charbon pulvérisé, des huiles très lourdes, ou les combustibles les plus divers. 1 4073 REVENDICATIONS 1 Installation de pyrolyse caractérisée en ce qu'el- le comprend: au moins un four ( 2) comprenant d'une part une cham- bre centrale ( 7) o s'effectue une combustion incomplète ac- compagnée d'une décomposition chimique, et d'autre part une chambre périphérique ( 8) o s'effectue une combustion com- plète des produits de décomposition; une turbine à gaz ( 4) dans laquelle le ou les fours ( 2) précités jouent le r 8 le de chambres de combustion, les gaz de la combustion étant envoyés sur les aubages de la B roue à haute pression ( 28) de la turbine ( 4), tandis que le compresseur ( 27) propulsé par ladite roue à haute pression ( 28) alimente le ou les fours ( 2) en air atmosphérique com- primé et chaud. 2 Installation de pyrolyse suivant la revandication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur ( 34) pourvu d'un disque poreux tournant qui est traversé pa- rallèlement à son axe d'une part par le circuit des gaz d'é- chappement issus de la turbine ( 4) et d'autre part par le circuit d'air comprimé allant du compresseur ( 27) de la tur- bine ( 4) au four ( 2), l'air comprimé étant réchauffé par des calories prélevées au sein des gaz d'échappement. 3 Installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les produits à traiter sont stockés dans un silo ( 1),( 35) et sont amenés jusqu'à la chambre centrale ( 7) du four ( 2) par l'intermédiaire d'un dispositif d'alimentation en continu muni d'une vis d'alimentation ( 5), ( 36). 4 Installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre centrale ( 7) et la chambre périphérique ( 8) du four ( 2) sont délimitées à l'intérieur d'un mime tambour( 9) o la chambre centrale cylindrique ( 7) et la chambre périphéri- que annulaire ( 8) sont coaxiales, ce tambour ( 9) étant lui- m' me situé à l'intérieur d'un carter externe ( 10) du four ( 2) tandis que l'air provenant du compresseur ( 27) de la tur- bine ( 4) arrive dans l'espace ( 11) délimité entre le tambour ( 9) et le carter externe ( 10) du four ( 2), l'air nécessaire à la combustion étant prélevé dans ledit espace ( 11) appelé espace relais. Installation de pyrolyse suivant la revendication 4, caractérisée en ce qu'un flux d'air primaire de combustion est établi à l'aide d'une portion de tube ( 13) qui traverse la paroi-du tambour ( 9) et qui s'étend axialement dans le four ( 2), cette portion de tube ( 13) comportant d'une part, en regard de l'espace relais, des lumières ( 1:4) d'entrée d:air, et d'autre part, à l'intérieur de la chambre centra- le cylindrique ( 7) du four ( 2), une série de petits orifices ( 15) d'alimentation d'air. Installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'un flux d'air secondaire de combustion est établi à l'aide d'une structure annulaire creuse qui sépare dans le tambour ( 9) la chambre centrale cylindrique ( 7) de la chambre annulaire ( 8), cette structure annulaire creuse permettant d'une part le passage des gaz combustiblesde la chambre ( 7) à la cham- bre annulaire ( 8), et d'autre-part le passage de l'air en- tre l'espace relais ( 1 t) et la chambre annulaire ( 8). 7 Installation de pyrolyse suivant la revendication 6 caractérisée en ce que la structure annulaire creuse est constituée par une série de petites portions de tubes ( 18) parallèles à l'axe du four ( 2), chaque petite portion de tu- be ( 18) comportant d'une part au moins une extrémité ( 19) débouchant à pleine ouverture à l'intérieur de l'espace re- lais ( 1 t), et d'autre part une série de petits orifices ( 20) d'alimentation d'air débouchant à l'intérieur de la chambre annulaire ( 8). 8 Installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le four ( 2) comporte au moins un conduit ( 21) d'évacuation de gaz de combustion qui s'ouvre radialement sur la paroi cylindrique externe ( 9) de la chambre annulaire ( 8), et qui est pourvu d'orifices ( 22) pour l'entrée d'air tertiaire de combustion en provenance de l'espace relais ( 1 i). 9 Installation de pyrolyse suivant la revendication 8, caractérisée en ce que chaque conduit ( 21) d'évacuation des gaz de combustion traverse avec un jeu important un trou( 24) prévu dans la paroi latérale du carter externe ( 10) du four ( 2),et est relié à ladite paroi ( 10) par l'intermédiaire d'un joint tubulaire à soufflet 5 ( 23), ce joint assurant la ferme- ture étanche de l'espace relais ( 11) tout en autorisant le jeu des dilatations entre le tambour ( 9) et le carter externe ( 10) du four ( 2). Installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les gaz de combustion traversent un séparateur à cyclone ( 3) dans lequel ils se séparent des poussières et particules diverses avant d'être envoyés sur les aubages de la roue à haute pression ( 28) de la turbine ( 4), un sas ( 25) étant prévu dans la par- tie inférieure du séparateur ( 3) pour l'évacuation desdites poussières et particules. 11 Installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les circulations de gaz brflés et d'air atmosphérique comprimé ont lieu à contre-courant dans des canalisations coaxiales ( 38), ( 39) entre la turbine à gaz ( 4) et le four ( 2), cette disposition permettant des échanges thermiques entre les deux circuits de gaz et d'air. 12 Procédé pour le fonctionnement de l'installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'air de combustion est envoyé au four ( 2) à environ 200 C, sous une pression d'environ 4 bars, les gaz de combustion issus du four ( 2) étant sous une pression très légèrement inférieure, et à une température d'environ 900 C. 13 Procédé pour le fonctionnement de l'installation de pyrolyse suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la chaleur provenant de la combustion incomplète des matières dans la chambre centrale cylindrique ( 7) et du rayonnement de la structure annulaire creuse ( 18) séparant la chambre centrale ( 7) de la chambre périphérique ( 8) provoque la décomposition chimique ou "cracking" des pro- duits traités, les produits de la décomposition étant tous b.rulés complètement dans le four ( 8).