Brevet FR2721307A1 — publié le 19951222

La présente invention concerne de façon générale un procédé et des moyens pour la génération d'un gaz à utiliser en tant que carburant dans des moteurs à combustion interne, et plus particulièrement un procédé pour la gazéifi-5 cation d'une charge formée d'une biomasse pour l'utilisation en tant que matière brute chimique et en tant que carburant ou combustible. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique B 5 159 900 décrit un procédé d'oxydation rapide pour produire un gaz à utiliser en tant que combustible à partir d'eau et de carbone. Ce gaz produit est engendré par la décomposition de l'eau par oxydation. De l'hydrogène est déplacé lorsqu'une substance est oxydée dans de l'eau. On peut forcer l'oxyda- tion rapide en utilisant un arc électrique pour brûler une substance contenue dans une solution de charge de biomasse, oxydant ainsi la substance par une réaction électro-thermo- chimique. Il en résulte la formation rapide d'un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone gazeux (COH2). Le mélange COH2 est un gaz qui brûle très bien dans l'oxygène ou l'air et il est donc souhaitable de l'utiliser en tant que combustible ou carburant dans un moteur à combustion interne. Lorsqu'il brûle, le COH2 produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau, n'apportant ainsi qu'une très faible, voire aucune, pollution au milieu ambiant. Comme décrit dans le brevet N 5 169 900 précité, un problème apparaît dans le stockage du COH2 gazeux et il est donc souhaitable de produire du COH2 gazeux à la demande. Le brevet précité décrit l'utilisation d'un arc électrique entre deux électrodes de carbone plongées dans le l'eau pour produire la réaction nécessaire à l'oxydation rapide du carbone et produire du COH2 gazeux. Etant donné que les électrodes de carbone étaient consommées pendant la réaction, il n'y avait aucun résidu. Par contre, la quantité totale d'eau et de carbone était transformée en un gaz combustible oxygéné. Ce processus peut être représenté par l'équation suivante: C+H20 -CO+H2. Du carbone et de l'eau sont donc consommés pendant la réaction sans production de résidu. Alors que l'eau peut être aisément introduite à l'intérieur de la chambre de réaction sans interrompre la réaction, les électrodes de carbone ne peuvent pas être remplacées dans la chambre de réaction sans interruption de la réaction. Un objet général de la présente invention est donc de procurer un procédé pour produire une génération à la demande de gaz à partir d'eau et de carbone pour une utilisa- tion en tant que combustible ou carburant pour des moteurs à combustion interne. Un autre objet est de procurer un procédé et un appareil de gazéification d'une biomasse qui réapprovisionne en continu les électrodes de carbone à partir de la charge de biomasse afin d'éviter la nécessité de remplacer les électro- des. Un autre objet est de procurer un procédé et un appareil pour produire du COH2 gazeux à partir d'une charge de biomasse commune. Ces objets apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art. Un appareil pour la gazéification d'une solution liquide de biomasse comprend une chambre de réaction conte- nant une solution liquide de biomasse. La solution de biomasse comprend au moins de l'eau et du carbone. Deux électrodes espacées en carbone sont immergées dans la solution à l'intérieur de la chambre. Une alimentation électrique en courant continu est connectée aux électrodes pour former un arc électrique passant d'une électrode à l'autre et oxydant ainsi le carbone d'une électrode. Le carbone oxydé forme un mélange de monoxyde de carbone et d'hydrogène gazeux, et le carbone libéré de la solution de biomasse pendant l'oxydation se dépose sur l'électrode opposée. Un interrupteur est interposé entre la source d'énergie électrique et les électrodes pour commuter sélecti- vement la polarité de l'arc électrique afin de provoquer une oxydation de l'électrode opposée et le dépôt de carbone sur l'électrode précédemment oxydée tandis que la production de COH2 gazeux continue. Un capteur détecte la position de l'arc électrique, détectant ainsi la longueur de l'électrode s'oxydant, et il est connecté électriquement à une unité de commande qui amène le connecteur à changer la polarité des électrodes lorsque l'électrode s'oxydant atteint une longueur prédéterminée. La solution de biomasse peut être formée d'un mélange d'eau avec des amidons, des sucres, des hydrates de carbone, des alcools et analogues. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est un schéma de l'unité de généra- tion de gaz de la présente invention; et la figure 2 est un schéma montrant une vue en coupe de la chambre de réaction gazeuse et du mécanisme de commutation associé. En référence à présent aux dessins, sur lesquels des pièces similaires ou correspondantes sont identifiées par les mêmes références numériques, et plus particulièrement à la figure 1, l'appareil destiné à produire un gaz à partir d'eau et de carbone est désigné globalement par la référence numérique 10 et comprend une unité de commande électronique 12 connectée à une enceinte 14 qui comprend une chambre 16 de réaction séparée d'une chambre 18 de charge. Une source d'énergie électrique, telle qu'une batterie 20, est connectée électriquement par l'intermédiaire d'un capteur 22 d'énergie et d'un commutateur 24 à des électrodes 26 et 28 (représentées sur la figure 2). Le capteur 22 d'énergie capte la tension entre les électrodes 26 et 28 et capte aussi le courant circulant entre elles. Cette information est appliquée à l'unité 12 de commande par l'intermédiaire d'un conducteur 30, laquelle unité commande, à son tour, le fonctionnement d'un dispositif d'asservisse- ment 32, comme décrit plus en détail ci-dessous. En référence à présent à la figure 2, l'électrode 26 est fixée en position dans une paroi latérale de la chambre 16 de réaction, et s'étend vers l'intérieur dans la chambre de réaction. La seconde électrode 28 est montée sur un arbre asservi 34 qui peut être manoeuvré de façon à coulisser vers l'intérieur et l'extérieur de la chambre 16 sous l'action de la servocommande 32 pour faire varier la distance entre les électrodes 26 et 28. La servocommande 32 est connectée électriquement à l'unité 12 de commande par un conducteur 36, laquelle unité commande la mise en marche et le sens dans lequel agit la servocommande 32. La chambre 16 de réaction comprend un capteur 38 de pression qui est connecté par un conducteur 40 à l'unité 12 de commande. Deux capteurs 42a et 42b de positions sont montés dans la chambre 16 de réaction à proximité immédiate des électrodes 26 et 28, respectivement. Les capteurs 42a et 42b de position sont reliés pour comparer l'énergie rayonnée de l'arc électrique s'étendant entre les électrodes 26 et 28 en différents emplacements, afin de déterminer la position de l'arc à l'intérieur de la chambre 16 de réaction et de déterminer ainsi la position des extrémités des électrodes 26 et 28. Les capteurs 42a et 42b de position sont reliés par une jonction 44 et sont connectés électriquement à l'unité 12 de commande par un conducteur 46. Comme montré sur la figure 1, un passage inférieur 48 s'étend entre la chambre 18 de charge et la chambre 16 de réaction, à l'extrémité inférieure de l'enceinte 14. Un passage supérieur 50 fait communiquer les extrémités supérieures de la chambre 16 de réaction et la chambre 18 de charge. Le passage supérieur 50 s'étend directement de la chambre 16 de réaction jusque dans un séparateur gaz/eau 52 placé dans l'extrémité supérieure de la chambre 18 de charge. Une conduite 54 de gaz communique avec le séparateur gaz/eau et s'étend jusqu'à une chambre d'emma- gasinage ou jusqu'à un moteur de combustion interne pour amener du COH2 gazeux à un emplacement prédéterminé. Un capteur 56 de niveau d'eau est prévu dans la chambre 18 de charge et est connecté électriquement à l'unité 12 de commande par un conducteur 58. Une pompe 60 est raccordée à la chambre 18 de charge par une conduite d'eau 62, et comporte une conduite d'eau 64 s'étendant jusqu'à une source d'alimentation en eau, indiquée de façon générale par la référence numérique 66. La pompe 60 est commandée par l'unité 12 de commande par l'intermédiaire d'un conducteur 68. En référence à présent à la figure 2, le commuta- teur 24 comprend un conducteur 70 connecté à l'électrode 26 et un conducteur 72 connecté électriquement à l'électrode 28. Le commutateur 24 est utilisé pour commuter la polarité de l'énergie électrique à courant continu circulant par les conducteurs 70 et 72 vers les électrodes 26 et 28. Un conducteur 74 connecte le commutateur 24 de polarité à l'unité 12 de commande, laquelle détermine le temps pour commuter la polarité. En fonctionnement, de l'énergie est fournie à l'unité 12 de commande, à la servocommande 32, à la pompe 60 et aux électrodes 26 et 28. L'unité 12 de commande contrôle tous les signaux d'entrée des capteurs, tels que le capteur 22 d'énergie,le capteur 38 de pression, le capteur 42 de position et le capteur 56 de niveau d'eau. L'unité 12 de commande contrôle en continu ces signaux des capteurs et déclenche immédiatement toute réponse nécessaire demandée par les signaux. Par exemple, si la pression à l'intérieur de la chambre 16 de réaction est au-dessous d'une plage prédétermi- née, l'unité 12 de commande met en marche la servocommande 32 pour déplacer l'électrode 28 vers l'électrode 26 jusqu'à ce que les électrodes soient à un écartement optimal pour le fonctionnement le plus efficace, en contrôlant le signal de rétro-action provenant du capteur 22 d'énergie. Dans le brevet N 5 159 900 précité, on utilisait des électrodes en carbone pour fournir le carbone qui était oxydé dans l'eau. Comme indiqué précédemment, ceci nécessi- tait de remplacer les électrodes en carbone pour poursuivre le processus de réaction. Dans la présente invention, une solution de charge riche en carbone est utilisée, de façon que le carbone réactif soit réapprovisionné en continu à l'intérieur de la chambre de réaction. Une source de charge, formée d'une solution d'eau et de carbone, est introduite au moyen de la pompe 60 dans la chambre 18 de charge. Pendant que la solution de charge est oxydée rapidement dans la chambre 16 de réaction, le niveau du liquide dans la chambre 18 de charge descend aussi. Cette chute du niveau du liquide est captée par le capteur 56 de niveau de liquide, laquelle est ensuite transmise à l'unité 12 de commande. L'unité 12 de commande amène alors une quantité appropriée de charge supplémentaire, par l'intermédiaire de la pompe 60, à la chambre 18 de charge. Bien que les inventeurs aient expérimenté le processus décrit ci-dessus en utilisant une solution de charge de biomasse formée d'eau et de glucose (C6H1206), et d'eau et de saccharose (C12H22011), il semble que n'importe quelle solution riche en carbone convienne bien. Ainsi, des liquides et des solutions à base de carbone, comprenant des hydrates de carbone et des alcools, procurent des consti- tuants nécessaires à la charge. Des hydrates de carbone tels que de la cellulose, des amidons, des sucres et des glycogè- nes sont aisément disponibles pour une telle utilisation. On peut utiliser de nombreuses sources de solution de charge en biomasse avec le procédé de gazéifica- tion d'une biomasse. Des matières végétales telles que des tiges de maïs, de la paille de blé, du bois, des herbes, des feuilles, de la sciure et "déchets de jardin" communs peuvent être convertis en une solution de charge. De plus, d'autres substances organiques telles que des matières lignocellulosi- ques (comprenant des déchets d'agriculture tels que du fumier, des déchets solides municipaux et des résidus d'opérations d'abattage et de façonnage du bois) peuvent être utilisés efficacement. Pendant le fonctionnement, une oxydation rapide du carbone dans l'eau a pour résultat que les molécules d'hydrogène sont déplacées par le carbone, ce qui produit du monoxyde de carbone et de l'hydrogène gazeux. Le carbone des électrodes 26 et 28 est réapprovisionné en continu lorsque l'on utilise une solution riche en carbone, en hydrogène et en oxygène. On a utilisé une solution de H20+C12H22011 pendant un essai, et on a trouvé que le carbone se déposait sur l'électrode négative en même temps que du carbone était oxydé à partir de l'électrode positive pendant la réaction. Lorsqu'on utilise un courant alternatif, on a constaté que l'oxydation des deux électrodes en carbone était égale et que les électrodes étaient consommées rapidement. La solution de charge de biomasse formée de H20+ C12H22011 est assombrie par le carbone en suspension qui est libéré de la solution par la réaction d'oxydation rapide. Par ailleurs, lorsque l'on utilise un courant continu, le carbone provenant de la solution s'applique par électrodéposition sur l'électrode de cathode au fur et à mesure qu'il est oxydé à partir de l'électrode d'anode. Sous l'effet d'une tension et d'un courant appropriés, la vitesse d'électrodéposition est rendue égale à la vitesse d'oxyda- tion. La solution reste claire et la longueur de l'électrode de cathode augmente à la même vitesse que la longueur de l'électrode d'anode diminue. Des capteurs 42a et 42b de position sont prévus pour transmettre des informations concernant la position de l'arc électrique s'étendant entre les électrodes, de façon à calculer les longueurs relatives des électrodes. Ces informa- tions sont appliquées à l'unité 12 de commande, de manière que la polarité du courant soit inversée dans des positions prédéterminées. On change périodiquement la polarité du courant pendant la réaction, afin de provoquer l'oxydation de l'électrode qui recevait précédemment des dépôts de carbone, tandis que l'électrode à partir de laquelle du carbone était oxydé reçoit une électrodéposition. Comme décrit plus en détail dans le brevet N 159 900 précité, l'unité 12 commande l'application d'éner- gie électrique aux électrodes 26 et 28 de manière qu'un arc électrique passe entre elles, la température de l'arc dépassant peut-être 3315 C. La chaleur et la différence du potentiel entre les électrodes de carbone ionisent et vaporisent le carbone dans une réaction exothermique. Des électrons passent à travers le carbone vaporisé, amenant la vapeur de carbone à s'oxyder ou à brûler. Le déplacement de l'oxygène dans l'eau par oxydation rapide forcée, qui est une réaction endothermique, libère du monoxyde de carbone et de l'hydrogène gazeux. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil et au procédé décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVEND I CATIONS 1. Appareil pour la gazéification d'une solution liquide de biomasse, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre (16) de réaction remplie au moins partiellement d'une solution de biomasse constituée au moins d'eau et de carbo- ne; deux électrodes espacées (26, 28) en carbone dans la chambre de réaction, immergées dans la solution de biomasse; des moyens (20) pour alimenter en un courant électrique continu lesdites électrodes afin d'engendrer un arc électri- que entre elles; et des moyens de commutation (24) interpo- sés entre une source de courant électrique et les électrodes pour commuter sélectivement la polarité du courant fourni aux électrodes. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (32, 34) destinés à faire varier la distance comprise entre les électrodes. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une unité (12) de commande destinée à mettre en action sélectivement les moyens destinés à faire varier la distance entre les électrodes. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une unité de commande (12) destinée à actionner sélectivement les moyens de commutation pour commuter la polarité. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (42a, 42b) destinés à détecter la position d'un arc électrique à l'intérieur de la chambre de réaction. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'unité de commande comprend des moyens qui, en réponse à la position des moyens de détection, actionnent les moyens de commutation en fonction de positions prédéterminées d'un arc électrique. 7. Procédé pour la gazéification d'une solution liquide de biomasse, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à alimenter une chambre (16) de réaction en une quantité d'une solution liquide de biomasse formée au moins d'eau et de carbone; à engendrer un arc électrique à courant continu dans la solution, d'une première électrode (26) de carbone à une seconde électrode (28) de carbone, pour provoquer une oxydation rapide du carbone à partir de la première électrode et former du monoxyde de carbone et de l'hydrogène, et pour libérer du carbone de la solution de biomasse et déposer le carbone libéré sur la seconde électrode; à détecter les longueurs des premières et secondes électrodes; et à changer la polarité de l'arc électrique lorsque la première électrode est oxydée à une longueur prédéterminée, afin d'amener la seconde électrode à s'oxyder et de déposer du carbone sur la première électrode. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à comman- der la tension et le courant pour l'arc électrique afin que la vitesse d'oxydation d'une électrode soit sensiblement égale à la vitesse de dépôt de carbone sur l'électrode opposée. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape d'alimentation en une quantité de solution liquide de biomasse comprend l'étape qui consiste à mélanger du sucre avec de l'eau ou l'étape qui consiste à mélanger de l'amidon avec de l'eau, ou encore les étapes qui consistent à décomposer de la cellulose pour extraire du glucose et mélanger le glucose à de l'eau. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dépôt de carbone sur la seconde électrode comprend l'électrodéposition sur ladite électrode du carbone libéré par oxydation de la solution de biomasse.