Brevet FR2586941A1 — publié le 19870313

Â L'invention concerne un dispositif de trai- tement de matières solides sous forme de particules, en lit fluidisé circulant, tel qu'un dispositif de gazéification permettant de transformer des particules de matières solides telles que du bois ou du charbon, en un gaz combustible, sous l'effet de la chaleur pro- duite à partir des matières solides dans le dispositif lui-même. On connait des dispositifs de gazéification à lit fluidisé circulant qui comportent un corps prin- cipal entièrement revêtu intérieurement de matière ré- fractaire, de forme allongée et disposé avec son axe vertical. Les matières solides combustibles à gazéi- fier ainsi que des matières solides caloporteuses, sous forme de particules, sont introduites à la partie inférieure du corps principal et fluidisées par un gaz oxydant tel que de l'air introduit à la partie infé- rieure du corps principal constituant une chambre ou colonne de fluidisation. La vitesse du gaz de fluidi- sation est telle qu'une proportion notable des parti- cules est entrainée jusqu'à la partie supérieure de la chambre de fluidisation dans laquelle on provoque la pyrolyse de matières combustibles et leur gazéifica- tion autothermique, à l'intérieur du lit circulant. La partie supérieure de la chambre du dispositif de gazéification est mise en communication avec la partie supérieure d'un cyclone de recirculation, par un conduit de direction sensiblement tangentielle par rapport au cyclone, si bien que le courant de gaz et de matières solides constituant le lit fluidisé circu- lant se met en mouvement tourbillonnaire pour consti- tuer un vortex. La séparation des gaz et des matières solides est réalisée dans le cyclone de recirculation dont la partie supérieure est reliée par un tube sépa- rateur à un circuit de traitement et d'utilisation du gaz formé et dont la partie inférieure est reliée par un conduit de recirculation des solides séparés à la partie inférieure de la colonne de fluidisation. La matière solide séparée des gaz est constituée par des cendres et des imbrûlés combustibles qui sont ainsi renvoyés à la partie inférieure de la colonne de fluidisation. Il est apparu que les performances de ces dispositifs de gazéification sont limitées par le fait que la densité de suspension des solides dans le lit fluidisé reste relativement faible et que l'extraction des cendres, a la partie inférieure de la colonne de fluidisation, se fait par voie sèche. Le fait que la densité de suspension des so- lides reste faible entraîne une mise en contact médio- cre entre les solides et les gaz dans la zone réac- tionnelle du dispositif et une utilisation du volume réactionnel qui est loin d'être optimale. L'extraction des cendres par voie sèche, à une température relativement basse, nuit au rendement de conversion du carbone dont une partie non convertie est soutirée avec les cendres. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de traitement de matières solides sous forme de particules, en lit fluidisé circulant, avec récupération de gaz produits, comportant une chambre de fluidisation allongée à axe vertical à la partie inférieure de laquelle les particules solides sont in- troduites et fluidisées par un courant de gaz oxydant dirigé de bas en haut, au moins un cyclone de recircu- lation des matières solides en communication par sa partie supérieure avec la partie supérieure de la chambre de fluidisation, un conduit de recirculation des matières solides mettant en communication la par- tie inférieure du cyclone de recirculation avec la. partie inférieure de la chambre de fluidisation et des moyens de récupération et de traitement des gaz pro- duits, prélevés à la partie supérieure du cyclone de recirculation, dispositif qui permette d'améliorer la mise en contact des gaz et des solides du lit fluidisé circulant, dans la zone réactionnelle. Dans ce but, le cyclone de récupération com- porte des moyens d'injection de gaz réactants à l'in- térieur du courant tourbillonnaire de gaz et de parti- cules solides qui se forme dans sa partie supérieure, pour provoquer la formation d'une zone réactionnelle pour les matières solides et les gaz en circulation, à l'intérieur du cyclone de recirculation. Dans le cas o le dispositif de traitement est un dispositif de gazéification de matières solides contenant du carbone, la colonne de fluidisation com- porte de préférence une zone élargie à sa partie infé- rieure en communication avec le conduit de recircula- tion des matières solides brûlées, munie de moyens pour maintenir localement ou dans l'ensemble de la masse la température des matières solides recyclées à un niveau supérieur à leur température de collage et de moyens de récupération des cendres agglomérées for- mées dans cette zone élargie. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limi- tatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un dispositif de gazéification de bois sous forme de particules, conforme à l'invention. - La figure 1 est une vue schématique en coupe de l'installation de gazéification suivant l'in- vention, associée à un ensemble de traitement et d'u- tilisation des gaz produits. - La figure 2 est une vue en coupe d'une va- riante de réalisation de la partie de traitement des gaz de l'installation. Comme il est visible sur la figure 1, l'ins- tallation comporte une colonne de fluidisation 1, un cyclone de recirculation 2 et un conduit 3 ou jambe de recirculation des matières solides, ces composants constituant le circuit principal de l'installation de gazéification dans lequel circule le lit fluidisé. L'installation comporte de plus un ensemble de compo- sants qui seront décrits ultérieurement, permettant le traitement et l'utilisation du gaz produit dans le circuit principal de l'installation. La colonne de fluidisation 1 comporte une zone élargie la à sa partie inférieure dans laquelle les particules de bois à gazéifier et de matière calo- porteuse sont introduites par un dispositif d'intro- duction sous pression 4, l'ensemble de l'installation fonctionnant à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le dispositif d'introduction 4 comporte une écluse rotative 5. et une trémie-tampon 6 dans la- quelle sont disposées des vis de transfert 7 et une vis d'injection 8 débouchant dans la conduite 9 d'ali- mentation de la colonne de fluidisation 1. Les parti- cules de bois introduites dans la trémie 6 par l'in- termédiaire de 1' écluse 5 sont reprises par les vis de transfert 7 puis par la vis d'injection 8 qui per- met de les introduire dans la zone la de la colonne de fluidisation 1 o elles sont reçues par une grille de fluidisation 10 sous laquelle une conduite 11 permet l'introduction d'air primaire de fluidisation des par- ticules. La vitesse de cet air primaire circulant de bas en haut dans la colonne de fluidisation 1 est suf- fisante pour provoquer la fluidisation en lit circu- lant du mélange des particules de bois et des solides caloporteurs. Le mélange gaz-solide parvenant à la partie supérieure de la colonne 1 est introduit dans le cyclone de recirculation 2 par l'intermédiaire d'un conduit 12 de direction -tangentielle par rapport au cyclone, si bien que le mélange gaz-solide forme un courant tourbillonnaire dans la partie supérieure du cyclone, autour du conduit de séparation 14 de ce lo cyclone. Un brûleur 15 pénétrant dans la zone infé- rieure élargie la de la colonne de fluidisation 1 per- met d'élever la température dans l'enceinte; l'intro- duction des particules de bois dans cette zone, dans laquelle il s'établit une température relativement élevée permet d'amorcer la pyrolyse des particules. La quantité d'air de fluidisation introduite par la conduite 11 est cependant insuffisante pour assurer la conversion totale en gaz des particules de bois. Ces particules de bois sont mélangées, au moment de leur introduction dans la colonne de fluidisation à une ma- tière solide caloporteuse qui récupère une partie de la chaleur dégagée dans la colonne de fluidisation. si bien que le mélange gaz-solide parvenant à la partie supérieure du cyclone et mis en mouvement tourbillon- naire comporte à la fois des particules solides de bois partiellement converties et des particules iner- tes en mélange avec des gaz chauds. La circulation dans la direction verticale descendante de ce mélange gaz-solide est fortement ra- lentie dans la partie supérieure du cyclone et la den- sité de matières solides dans les gaz est alors très élevée. Le cyclone comporte dans sa partie supérieu- re trois cannes 17 permettant l'injection d'agents de gazéification dans la partie supérieure du cyclone 2 dans laquelle le temps du séjour du mélange gaz-solide et la densité de particules solides du mélange sont considérablement accrus par effet de vortex. Les can- nes d'injection 17 sont disposées à 120- autour du cy- clone et inclinées par rapport à l'axe vertical de ce cyclone, de façon que leurs axes 18 soient concourants en un point situé légèrement en dessous de l'entrée du conduit de séparation 14 du cyclone. L'agent de gazéi- fication est constitué par de l'air comburant intro- duit sous pression dans les cannes 17 par un circuit qui sera décrit plus en détail, dans la suite de la description. Au lieu d'air ordinaire, on peut utiliser comme gaz réactant de l'air enrichi en oxygène ou un mélange oxygène-vapeur d'eau pour réduire le plus pos- sible la quantité d'azote dans les gaz produits. L'injection d'air comburant dans les matiè- res solides chaudes provoque la formation d'une zone réactionnelle dans la partie supérieure du cyclone o la gazéification des matières solides se produit dans de très bonnes conditions, la densité et le brassage des matières étant importantes dans la zone d'injec- tion et favorisant les contacts gaz/solides. On par- vient donc à une utilisation optimale du volume ré- actionnel constitué par la partie supérieure du cyclo- ne. Les gaz formés sont récupérés par le conduit de séparation 14 et un conduit de transfert 19 vers une installation de dépoussiérage 21 communiquant à sa partie inférieure par une colonne 22 avec une chambre de récupération de matières solides 24 et à sa partie supérieure, par un conduit 23 avec une chambre 26 dans laquelle on assure la combustion du gaz récupéré grâce à des tuyères 27 d'introduction d'air comburant. Le cyclone de recirculation 2 communique à sa partie inférieure avec la chambre de récupération de matières solides 24 constituant une partie du conduit de recirculation 3. Les matières solides ayant une certaine gra- nulométrie sont séparées des fumées au niveau du conduit 14 et parviennent à la partie inférieure du cyclone 2 dans la chambre 24. Ces matières solides sont constituées en grande partie de solides calopor- teurs et de cendres résultant de la gazéification du bois qui renferment encore une certaine fraction de matières combustibles. Ces matières solides, de même que les matières à fine granulométrie récupérées dans l'installation de dépoussiérage 21 par le conduit ver- tical 22 sont fluidisées et remises en circulation dans la chambre 24 et la jambe de recirculation 3 par des tuyères d'injection d'air sous pression 30. Les matières solides sont ainsi réintroduites dans la par- tie élargie la de la colonne de fluidisation 1. Comme indiqué plus haut, la température est maintenue dans cette partie élargie la à un niveau re- lativement élevé, grâce notamment à des cannes d'in- jection d'air dont une est représentée en 40; ce ni- veau est supérieur à la température de collage des cendres introduites par le conduit 3 dans la zone la. Les cendres subissent donc une agglomération dans la zone la et de ce fait se séparent du lit fluidisé cir- culant. Les particules de cendres agglomérées sont ré- cupérées et évacuées par une conduite 31 comportant une vanne de vidange disposée à la partie inférieure de la colonne. Il faut noter que les cannes d'injection 40 peuvent être réparties sur tout ou partie de la grille 258694 1 afin de permettre à volonté le maintien local ou dans l'ensemble de la masse du lit fluidisé de la tempéra- ture d'agglomération. Les composants dans lesquels circulent les gaz ou particules chaudes sont entièrement revêtus intérieurement de matière réfractaire et le refroidis- sement des gaz le cas échéant s'effectue entièrement à l'extérieur de la boucle de gazéification constituée par la colonne 1. le cyclone 2 et le conduit 3. Les gaz brûlés dans la chambre de combustion 26 permettent l'entraînement d'une turbine de détente 34 couplée à un compresseur d'air 32 et à un généra- teur asynchrone 33. Le compresseur d'air 32 alimente le circuit d'air 20 permettant la distribution d'air sous pression dans toute l'installation. Les fumées récupérées à la turbine 34 sont évacuées par une conduite 35 reliée à une installation de séchage des particules de bois avant leur introduc- tion dans l'écluse 5. Cette installation de séchage utilise la chaleur contenue dans les fumées évacuées par la conduite 35. L'installation qui a été décrite se caracté- rise par une utilisation optimale de la zone réaction- nelle située, selon l'invention, dans la partie supé- rieurs du cyclone de recirculation 2. De ce fait, la structure de l'installation peut être simplifiée et sa dimension réduite à capacité identique. La structure de l'installation comportant un seul corps principal de cyclone permet de réaliser facilement la mise en pression des gaz à l'intérieur de cette installation. Un très bon contrôle de la zone réactionnelle permet également d'assurer un fonctionnement o les réactions de gazéification se produisent dans des conditions pratiquement stoechiométriques. L'inclinaison des tuyères d'injection d'a- gents de gazéification permet d'éloigner le centre de la zone réactionnelle des parois du cyclone 2, donc de limiter la température et d'éviter les collages des particules sur ces parois. L'extraction des cendres à l'état agglomé- rant permet de limiter l'extraction de carbone non converti avec les cendres dans le cas de combustibles peu réactifs. Sur la Fig. 2, on Voit une variante de réa- lisation de la partie de l'installation dans laquelle on effectue le traitement des gaz produits; ces gaz sont récupérés à la partie supérieure du cyclone de recirculation 2 et introduits dans une chambre de post-gazéification 36 par une conduite 42 reliée au cyclone de recirculation (non représenté sur la figure 2). Des tuyères 37 permettent d'introduire de l'oxygè- ne en quantité réglée dans la chambre 36 pour produire par combustion d'une partie des gaz un dégagement de chaleur suffisant pour porter l'ensemble de la masse gazeuse à une température supérieure à 1300'C. Cette température permet de convertir l'ensemble des compo- sés hydrocarbures contenus dans les gaz en un mélange CO + H2. Les gaz ayant subi la conversion sont ensuite envoyés, par l'intermédiaire d'une conduite verticale 41 dans un bac rempli d'eau 39 et refroidis par barbo- tage avant leur sortie du dispositif par une conduite 43. On effectue ainsi un reformage du gaz produit avant son utilisation. Il est bien évident que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que les composants de la boucle principale de gazéification et du circuit de traite- ment et d'utilisation des gaz produits peuvent être 1 0 différents des composants qui ont été décrits. L'in- jection d'agents de gazéification dans le cyclone de recirculation peut être réalisée par d'autres moyens que les cannes ou tuyères qui ont été décrites. Enfin, le dispositif suivant l'invention peut être utilisé pour la gazéification d'autres ma- tières que les particules de bois, par exemple pour la gazéification de particules de charbon. Un tel dispo- sitif pourrait être également utilisé pour d'autres traitements de matières solides par des gaz, les gaz réactants étant introduits dans la zone tourbillon- naire créée par le cyclone de recirculation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement thermique de matières solides sous forme de particules, en lit fluidisé circulant, avec récupération de gaz produits comportant une chambre de fluidisation (1) allongée à axe vertical à la partie inférieure de laquelle les particules solides sont introduites et fluidisées par un courant de gaz oxydant dirigé de bas en haut, au moins un cyclone de recirculation (2) des matières solides en communication par sa partie supérieure avec la partie supérieure de la chambre de fluidisation (1), un conduit de recirculation (3) des matières so- lides mettant en communication la partie inférieure du cyclone de recirculation (2) avec la partie inférieure de la chambre de fluidisation (1) et des moyens de ré- cupération et de traitement des gaz produits, prélevés à la partie supérieure du cyclone de recirculation (2), caractérisé par le fait que le cyclone de recir- culation (2) comporte des moyens d'injection (17) de gaz réactants à l'intérieur du courant tourbillonnaire de gaz et de particules solides qui se forme dans sa partie supérieure, pour provoquer la formation d'une zone réactionnelle pour les matières solides et les gaz en circulation, à l'intérieur du cyclone de recir- culation (2). 2. Dispositif de traitement suivant la re- vendication 1 utilisé pour la gazéification de matiè- res solides contenant du carbone, caractérisé par le fait que la colonne de fluidisation (1) comporte une zone élargie (la) à sa partie inférieure en communi- cation avec le conduit de recirculation (3) des ma- tières solides brûlées, munie de moyens (15 et 40) pour maintenir localement ou dans l'ensemble de la masse la température des matières solides recyclées à un niveau supérieur à leur température de collage et de moyens de récupération (31) des cendres agglomérées formées dans cette zone élargie (la). 3. Dispositif de traitement suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le cyclone de recirculation (2) de forme cylindro-tronconique à axe vertical comporte des mo- yens d'injection de gaz réactants (17) constitués par une pluralité de cannes (17) ayant des axes (18) in- clinés par rapport à la verticale et concourant en un point situé à l'intérieur du cyclone et sur son axe vertical. - 4. Dispositif de traitement suivant la re- vendication 3, caractérisé par le fait que trois can- nes (17) sont disposées à 120* les unes par rapport aux autres autour de l'axe du cyclone de recircula- tion. 5. Dispositif de traitement suivant la re- vendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un dispositif de dépoussiérage (21) et une chambre de combustion (26) des gaz formés. 6.- Dispositif de traitement suivant la re- vendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un dispositif de post-gazéification (36) des gaz formés permettant le reformage en CO + H2 de ces gaz avant leur utilisation. 7. Dispositif de traitement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour maintenir la pression des gaz en circulation à un niveau supérieur à la pression atmosphérique.