Brevet FR2535734A1 — publié le 19840511

2535734. La présente invention a pour objet un procédé de pyrolyse rapide de produits ligno-cellulosiques, plus particulièrement de déchets forestiers et un dispositif pour sa mise en oeuvre. Dans l'industrie de la transformation du bois, les déchets constitués par les écorces, les copeaux, la sciure et les souches représentent jusqu'à 16 % en poids du bois utilisable Compte tenu du renchérissement du coût de l'énergie, il apparaît donc judicieux de récupérer l'énergie contenue dans ces déchets. Le moyen le plus répandu de récupération de l'énergie est la combustion de ces déchets dans des chaudières On obtient ainsi de la vapeur qui est soit utilisée pour le chauffage, soit pour la produc- tion d'électricité Mais cette solution présente des inconvénients La chaudière doit être adaptée à la combustion des déchets, les foyers ont des dimensions importantes et les chaudières sont de grande taille La puissance thermique fournie par ces chaudières est très difficilement modulable, ce qui entraîne un manque de souplesse qui ne permet pas d'adapter cette puissance aux besoins instantanés, la plu- part du temps fluctuants, de l'utilisateur Enfin, les fumées doivent être traitées avant leur rejet à l'atmosphère, ce qui entraîne l'ins- tallation d'appareils d'épuration souvent coûteux. Un autre moyen plus évolué de récupération de l'énergie est la gazéification des déchets Mais le gaz produit par ce procédé a un faible pouvoir calorifique inférieur ou PCI, de l'ordre de 1 000 à 3 000 Kcal/Nm 3 seulement, en raison de la dilution par du dioxyde de carbone et/ou de l'azote et ce gaz est beaucoup mieux adapté à des usages de synthèse organique en raison de ses teneurs en hydrogène et monoxyde de carbone En outre les gazogènes utilisés actuellement pour - la gazéification présentent de nombreux inconvénients Certains de ces inconvénients sont liés au fait que la transformation du combustible solide en gaz sous l'action de l'air ou de l'oxygène et éventuellement de la vapeur d'eau a lieu le plus souvent en même temps qu'une pyro- lyse alors que pour produire un gaz parfaitement épuré, elle ne devrait s'effectuer qu'après la pyrolyse et le craquage des produits de pyrolyse De ce fait, des produits incomplètement transformés pol- luent le gaz obtenu et le rendent impropre à une utilisation directe sans un traitement spécial. 2535734. L'invention a pour objet un procédé de pyrolyse rapide à l'abri de l'air de produits ligno-cellulosiques, évitant les inconvénients précités, fournissant un gaz riche, propre, de pouvoir calorifique inférieur compris entre 4 000 et 5 000 Kcal/Nm 3, constituant une excellente source d'énergie commodément distribuable. Selon le procédé de l'invention, on effectue une pyrolyse rapide à l'abri de l'air de produits lignocellulosiques en fragments de faibles dimensions, dans un lit fluidisé de particules réfractaires chaudes constituant un milieu chauffant La fluidisation de ce lit est obtenue par recyclage d'une fraction des gaz produits Les produits de la pyrolyse, constitués d'un résidu solide carboné, de goudrons et de gaz s'échappent du lit fluidisé et traversent une zone de surchauffe constituée d'un échangeur à garnissage alimenté par une pluie de par- ticules réfractaires chaudes, lesquelles apportent leur énergie calo- rifique au lit fluidisé Au cours de la traversée de la zone de sur- chauffe, les goudrons contenus dans les gaz sont craqués en fractions gazeuses. Le résidu solide carboné est ensuite séparé des gaz produits qui sont, pour une partie, recyclés pour la fluidisation du lit fluidisé, pour l'autre partie, dirigés vers l'utilisation Ce résidu est brûlé dans un lit transporté, chauffant les particules réfractaires alimen- tant l'échangeur à garnissage et le lit fluidisé. Ainsi, grâce au procédé objet de l'invention, on obtient un gaz épuré de pouvoir calorifique élevé pouvant être facilement distribué aux utilisateurs. Les gaz produits, après séparation du résidu solide carboné, peuvent être refroidis pour récupérer une partie de leur chaleur sen- sible qui sera utilisée, le cas échéant, pour le séchage des produits ligno-cellulosiques préalablement à leur introduction dans le lit fluidisé. Les fumées de la combustion du résidu solide carboné dans le lit transporté peuvent être utilisées pour réchauffer l'air de combustion de ce résidu. L'invention sera décrite plus en détail en se référant à la figure unique qui est un schéma de principe illustrant le procédé de gazéification de produits ligno-cellulosiques selon l'invention. Les produits ligno-cellulosiques sous forme de fragments de -faibles dimensions sont introduits dans un pyrolyseur 1 par une trémie d'alimentation 2 munie d'un sas et d'un dispositif d'alimentation à vis 2 a Le pyrolyseur 1 est constitué par un dispositif analogue à celui décrit dans le brevet FR 2 436 954 Il comprend une colonne cylindrique 3 garnie de briques réfractaires comportant à sa partie inférieure une grille de fluidisation 4 au-dessous de laquelle se trouve une boite à vent 5 alimentée en gaz de fluidisation par un compresseur 6. La grille 4 supporte un lit 7 de particules fluidisées, consti- tuant un milieu chauffant, dont l'excédent est évacué par un trop- plein latéral 8, muni d'un siphon 8 a. La partie supérieure de la colonne comprend un échangeur à gar- nissage 9 à pluie de particules réfractaires chaudes Dans l'exemple de réalisation décrit, il comporte quatre étages constitués chacun d'un caillebotis à grandes mailles ayant une ouverture de 93 % et sup- portant un empilement constitué d'anneaux Pall en acier réfractaire ayant une porosité de 94 %. Un distributeur rotatif 10 de particules réfractaires répartit des particules sur toute la surface de l'étage le plus élevé Les particules sont amenées dans le distributeur 10 par un conduit 11. La colonne comporte au-dessus de l'étage le plus élevé un conduit 12 d'évacuation des gaz produits conduisant ces derniers à un séparateur gazsolide 13 muni de deux tuyauteries: l'une 14 pour l'évacuation des produits solides captés, l'autre 15 conduisant les gaz épurés à un échangeur air-gaz 16 Un compresseur,17 alimente en air de refroidissement l'un des circuits 16 a de l'échangeur 16 par une conduite 18. L'autre circuit 16 b de l'échangeur 16 est relié par une conduite 19 à une enceinte de stockage 20 des gaz produits Une cana- lisation 21 piquée sur la conduite 19 munie d'un organe de réglage de débit 22 permet de recycler une partie des gaz produits par l'intermé- diaire du compresseur 6 relié à la boite à vent 5 du pyrolyseur 1 par une conduite 23. Un second échangeur 16 C-16 d est installé sur la conduite 19, entre le piquage de la conduite 21 et l'enceinte de stockage 20. Un réacteur de combustion 24 à lit transporté chauffant, adja- cent au pyrolyseur 1, est relié à celui-ci par le trop-plein latéral 8 2535734. du lit fluidisé 7 Il comporte à sa partie inférieure, en-dessous de l'arrivée du trop-plein 8, une grille de fluidisation 25 au-dessous de laquelle se trouve une boite à vent 26 alimentée par une canali- sation 27 Un brûleur de préchauffage 28 est placé au-dessus de la grille 25 dans la paroi latérale du réacteur 24 La tuyauterie d'évacuation 14 du séparateur gaz-solide 13 est reliée au réacteur 24 et débouche dans celui-ci au-dessus de la grille de fluidisation 25. Le réacteur de combustion 24 se termine à sa partie supérieure par un séparateur gaz-solide 29 dont la partie inférieure ou sous- verse est en communication avec le conduit I 1 d'alimentation du dis- tributeur rotatif 10 de particules solides Un second séparateur gaz- solide 30 est relié à la partie supérieure du premier séparateur 29. Il comporte deux conduites: l'une 31, inférieure, débouchant sur un cendrier 32, l'autre 33, supérieure, reliée à un échangeur 34 fumées- air. Un compresseur 35 alimente en air frais l'échangeur 34 par une tuyauterie 36 La tuyauterie 27, dont l'une de ses extrémités débouche dans la boite à vent 26 du réacteur de combustion 24, est raccordée à la sortie côté air de l'échangeur 34. Le procédé de pyrolyse rapide de produits ligno-cellulosiques fonctionne, en régime permanent, selon le schéma suivant: Les produits lignocellulosiques, sous forme de fragments de faibles dimensions, sont introduits par la trémie d'alimentation 2 dans le milieu chauffant constitué par un lit fluidisé 7 de particules réfractaires dont la température est comprise entre 700 et 9000 C, o ils sont pyrolysés à l'abri de l'air Les produits de pyrolyse, résidu solide carboné et produits ligno-cellulosiques incomplètement pyro- lysés, goudrons et gaz sont entraînés vers le haut du pyrolyseur 1 par le gaz de fluidisation dont la vitesse est de l'ordre de 3 m/s Ils traversent la zone de surchauffe 9, o les goudrons sont craqués en fractions plus légères, et quittent le pyrolyseur 1 à une température d'environ 8000 C par le conduit 12 qui les dirige dans le séparateur solide-gaz 13 Le gaz, débarassé des produits solides, gagne l'échan- geur 16 d'o il sort à une température de 3001 C environ L'air de refroidissement des gaz sort de l'échangeur 16 à 6000 C environ et peut être utilisé pour le séchage préalable des déchets ligno-cellulosiques avant leur introduction -dans le pyrolyseur 11. Une partie du gaz refroidi est recyclée par le compresseur 6, l'organe de réglage 22, et les canalisations 21 et 23 dans' la boîte à vent 5 du pyrolyseur 1 pour la fluidisation du lit 7. L'autre partie de ce gaz est refroidie une seconde fois dans l'échangeur 16 C-16 d jusqu'à une température de 401 C environ pour condenser la majeure partie de l'eau qu'il contient, puis gagne l'en- ceinte de stockage 20 par la conduite 19. Le réacteur de combustion 24 sert à chauffer les particules réfractaires alimentant l'échangeur à garnissage 9 puis le lit flui- disé 7, par combustion des matières solides produites lors de la pyrolyse des produits ligno-cel:lulosiques dans le réacteur 1 Ces matières solides, captées dans le séparateur gaz-solide 13, consti- tuées d'un résidu carboné analogue à du charbon de bois et des ma- tières ligno-cellulosiques incomplètement transformées sont amenées dans le réacteur 24, au-dessus de la grille 25, par la tuyauterie 14. Les particules réfractaires en excès dans le lit fluidisé 7 ainsi que les particules les plus grosses de résidu solide carboné qui ne sont pas entraînées par le gaz de fluidisation sont transférées du pyro- lyseur 1 au réacteur de combustion 24 par le trop-plein 8 muni d'un siphon 8 a débouchant au-dessus de la grille 25 Enfin, l'air néces- saire à la combustion et au transport du lit est fourni par la tuyau- terie 27 débouchant dans la boite à vent 26. Les températures sont de 9551 C environ à la partie inférieure du réacteur de combustion 24 à lit tranporté, 950 'C environ à la partie supérieure du réacteur La vitesse des fumées produites par la combus- tion est de 10 m/s environ. Les fumées de combustion issues du réacteur de combustion 24 à lit transporté traversent un premier séparateur fumées-solide 29 qui les débarasse des particules réfractaires réchauffées, lesquelles sont dirigées vers le distributeur rotatif 10 par le conduit 11 Un second séparateur gaz-solide 30, monté en série avec le premier sépa- rateur 29, capte les cendres produites par la combustion du résidu carboné et des matières ligno-cellulosiques incomplètement trans- formées d'o elles sont évacuées dans le cendrier 32. Les fumées de combustion épurées cèdent leur énergie thermique à l'air de combustion du réacteur de combustion 24 par un échangeur fumées-air 34 alimenté en air frais par le compresseur 35 L'air réchauffé est conduit dans le réacteur de combustion 24 par la tuyau- terie 27 Les températures des fumées de combustion sont respective- ment de 900 C à l'entrée et 1000 C à la sortie de l'échangeur 34 La température de l'air de combustion est de 6800 C dans la boite à vent 26. Au démarrage de l'installation, les particules réfractaires sont chauffées dans le réacteur de combustion 24 à lit transporté par le brûleur 28 afin de les porter à une température suffisante pour per- mettre la pyrolyse dans le pyrolyseur 1. L'exemple suivant illustre l'invention sans en limiter la portée: Conditions de fonctionnement du pyrolyseur 1. Température du lit fluidisé 8001 C Vitesse des gaz au-dessus du lit 3 m/s Débit de particules réfractaires alimentant l'échangeur à garnissage et le lit fluidisé 20 Kg/s Débit de gaz de fluidisation 0,18 Kg/s Température du gaz de fluidisation 3000 C Conditions de fonctionnement du réacteur de combustion 24. Température à la partie inférieure du réacteur 9550 C Température à la partie supérieure du réacteur 95 QOC Vitesse des fumées de combustiondans le réacteur 10 m/s Débit d'air de combustion 2,74 Kg/s Température de l'air de combustion à l'entrée de la boite à vent du réacteur 680 C Pour les conditions de fonctionnement indiquées ci-avant, les résultats suivants sont obtenus: Débit de produits ligno-cellulosiques introduits dans le réacteur de gazéification 1,400 Kg/s ( 1 Kg/s produits secs + 0,4 Kg/s d'humidité). Débit de gaz humide disponible comme source d'énergie: 1,188 Kg/s Composition pondérale du gaz humide CO 37,5 % C 02 6 % H 2 1 % CH 4 6,2 % C 2 H 4 5 % C 2 H 6 0,3 % C 2 H 2 0,7 % H 20 43,3 % Pouvoir calorifique inférieur du gaz sec produit 4 300 Kcal/Nm 3 Les avantages présentés par le procédé objet de l'invention sont les suivants: Obtention d'un gaz riche à haut pouvoir calorifique (PCI compris entre 4 000 et 5 000 Kcal/Nm 3). Le rendement, défini comme le rapport du contenu énergétique des produits fournis par la pyrolyse sur le contenu énergétique des pro- duits ligno-cellulosiques introduits dans le pyrolyseur pe ut at- teindre en pratique 70 %, valeur nettement supérieure à celles trou- vées pour la gazéification à l'air ou à l'oxygène. Le système mis en jeu dans le procédé est autorégulé et trouvera un point d'équilibre pour un fonctionnement stable En effet, si la température de pyrolyse est par exemple trop basse, la proportion du résidu carboné augmente et par combustion de celui-ci la -température des particules réfractaires sortant -du réacteur de combustion à lit transporté augmente, ce qui remonte la température du lit fluidisé du pyrolyseur Dans le cas o la température de pyrolyse est trop éle- vée, la proportion du résidu solide carboné diminue, ce qui entraîne une diminution de la température des particules réfractaires sortant du réacteur de combustion à lit transporté et, par conséquent, fait baisser la température du lit fluidisé du pyrolyseur. Le procédé évite le mélange des -gaz produits dans le pyrolyseur avec l'air de combustion et les fumées du réacteur de combustion. Le procédé est susceptible de traiter toutes les catégories de dé- chets ligno-cellulosiques après réduction en fragments de faibles dimensions, -ce qui permet d'utiliser des bois impropres à l'indus- trie papetière et surtout les écorces pour lesquelles il existe peu d'utilisations. Le procédé permet également de traiter des déchets agricoles tels que la paille, les cônes de mais, etc et des déchets forestiers tels que le bois de taillis. Le procédé permet une économie d'énergie importée (pétrole, gaz) par production d'un gaz à un PCI tel qu'il est apte à de nombreux usages thermiques. En variante, on peut envisager d'assurer la fluidisation du lit fluidisé 7 du pyrolyseur 1 par de la vapeur d'eau surchauffée. REVENDICATIONS 1) Procédé de pyrolyse rapide de produits ligno-cellulosiques en fragments de faibles dimensions dans lequel les produits ligno- cellulosiques sont introduits dans un lit fluidisé de particules réfractaires chaudes constituant un milieu chauffant les transformant en produits de pyrolyse constitués de gaz, de goudrons et d'un résidu solide carboné, l'énergie calorifique nécessaire à la pyrolyse étant fournie par la combustion du résidu solide carboné, caractérisé en ce que: les goudrons sont craqués en fractions gazeuses lors de la traversée d'une zone de surchauffe, située au-dessus du lit fluidisé et espacée de celuici, constituée par un échangeur à garnissage alimenté par une pluie de particules réfractaires chaudes; le résidu solide carboné est séparé des produits gazeux de pyrolyse puis brûlé dans un réacteur de combustion à lit transporté, assurant le chauffage des particules réfractaires et leur transport vers l'échangeur à garnissage et le lit fluidisé. 2) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la vitesse des gaz entre le lit fluidisé et la zone de surchauffe est comprise entre 2,50 et 3,50 mètres par seconde. 3) Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la vitesse des fumées produites par la combustion du résidu solide carboné dans le réacteur de combustion à lit transporté est comprise entre 9 et I 1 mètres par seconde. 4) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la température des fumées de combustion dans le réacteur de combustion à lit transporté est comprise entre 900 et 980 'C. ) Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le gaz produit a un pouvoir calorifique inférieur compris entre 4 000 et 5 000 Kcal/Nm 3. 6) Dispositif pourrla mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comprend un pyrolyseur ( 1) couplé à un réacteur de combustion à lit trans- porté ( 24).