Brevet FR2726821A1 — publié le 19960515

L'invention concerne un procédé et un appareil de production de méthanol par gazéification de matières carbonées. II est connu de transformer des matières carbonées en gaz de synthèse constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone, en recourant à la gazéification des matières carbonées dans un réacteur approprié, pour obtenir CO + 2H2 = CH30H. Les matières carbonées les plus couramment utilisées sont des matières solides d'origine végétale, allant de la tourbe aux déchets de bois,en passant par le charbon de bois, avec utilisation d'adjuvants de réaction, tels que des générateurs de laitier, et d'agents de gazéification comme l'oxygène et l'hydrogène industriels. On sait, en utilisant, par exemple, le procédé décrit dans le brevet allemand DE-A-3 137 755, gazéifier des matières carbonées dans un réacteur à bain de fer, pour obtenir un gaz de synthèse constitué d'hydrogène et de monoxyde de carbone, mais, en raison du rapport molaire défavorable de l'hydrogène par rapport au monoxyde de carbone, le méthanol ainsi obtenu n'est pas stable et ne peut, par conséquent, être utilisé ensuite industriellement. II a été tenté de remédier à cette situation en soumettant un gaz sans soufre, obtenu dans un réacteur à bain de fer par gazéification de matières carbonées, en particulier du charbon, à un enrichissement en hydrogène supplémentaire, de façon à obtenir un gaz de synthèse, offrant un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour un mole de monoxyde carboné, exempt de gaz carbonique. Un procédé et un appareil visant ce but sont décrits dans la demande de brevet français 2 552 443. Dans un réacteur à bain de fer, on gazéifie une matière carbonée, notamment du charbon, en présence de fondants et d'oxygène. Dans un récipient de refroidissement, le gaz est enrichi en hydrogène provenant d'une cellule d'électrolyse, à température élevée, de vapeur d'eau. Le mélange du gaz obtenu et de l'hydrogène permet d'obtenir, ainsi, un gaz de synthèse, contenant deux moles d'hydrogène pour un mole de CO. Toutefois, un tel appareil, compte-tenu du procédé qu'il met en oeuvre, ne permet pas d'atteindre une température suffisante pour obtenir la transformation complète des molécules d'eau contenues dans la vapeur, en vue de la dissociation complète de l'hydrogène et de l'oxygène, aussi, a-t'on recours à l'électrolyse de la vapeur d'eau, dont le niveau de surchauffe ne permet que de réduire la consommation d'électricité nécessaire à l'électrolyse, sans jamais pouvoir se substituer à elle. II résulte de cela que le rendement de l'installation est médiocre, compte-tenu, tout particulièrement, de l'apport d'énergie électrique indispensable et de la détérioration rapide des électrodes et que le méthanol obtenu n'est pas commercialement compétitif avec celui proposé actuellement sur le marché.De plus, I'obligation de relier les appareils au réseau électrique est une contrainte susceptible de limiter l'implantation de ceux-ci. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Cette invention, telle qu'elle se caractérise, résout le problème consistant à définir un procédé et un dispositif, avec lesquels, d'une part, du méthanol pur et stable puisse être obtenu avec un rendement maximum se traduisant par un prix de revient compétitif, et, d'autre part, des déchets puissent être utilisés comme matière première, sans qu'il soit nécessaire d'adapter l'appareil à chaque cas ; ceci, sans recourir à d'autre source d'énergie que celle contenue à l'état latent dans les déchets en question. Le procédé selon l'invention, selon lequel la synthèse du méthanol est obtenue à partir d'un gaz présentant un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour un mole de monoxyde de carbone, obtenu par gazéification d'une matière carbonée, se caractérise, principalement, en ce que l'élaboration du méthanol s'effectue en respectant les trois étapes suivantes a) de l'air chauffé à environ 700" C est soufflé sur une matière carbonée intermédiaire, qui s'enflamme spontanément selon une réaction exothermique produisant du monoxyde de carbone (CO) à haute température, b) le monoxyde de carbone à haute température, produit à l'étape initiale (a), traverse un catalyseur au nickel, dans lequel il est mélangé à de la vapeur d'eau surchauffée à très haute température (supérieure à 500"C), ce qui permet d'obtenir, à la sortie du dit catalyseur, un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène (CO2 + H2) à haute température : la transformation étant exothermique, c) le mélange gazeux, obtenu à l'étape précédente (b), est dirigé vers la matière carbonée à gazéifier, qui s'enflamme spontanément vers 350"C, en présence de vapeur d'eau surchauffée à très haute température, afin d'obtenir, selon une réaction endothermique, un gaz de synthèse constitué de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), selon un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour un mole de monoxyde de carbone. L'air chaud et la vapeur d'eau, utilisés lors des étapes du procédé selon l'invention, sont obtenus par transfert de l'énergie calorifique contenue dans les gaz produits aux étapes (a) et (b) ou par préchauffage à l'aide d'une source d'énergie extérieure, lors de la mise en route de l'appareil. Selon un mode d'application particulier du procédé selon l'invention à la gazéification de bois contenant une proportion assez importante d'eau, le séchage préalable du bois s'obtient par combustion d'aluminium dans de la vapeur d'eau surchauffée (2AI + 3H2O), qui donne Al2O3 + 3H2 selon une réaction très exothermique. La vapeur d'eau dégagée du bois est récupérée et utilisée dans la réaction précédente (Al + H2O). L'appareil permettant l'application du procédé selon l'invention se caractérise, principalement, en ce qu'il est réalisé en deux étages, délimitant, respectivement, pour le premier, L'espace réservé aux transformations correspondant aux étapes (a) et (b) du procédé, et, pour le second, L'étape (c) du dit procédé. Selon un mode de réalisation préférentiel de l'appareil selon l'invention, I'enceinte délimitant le second étage de celui-ci est disposée dans le flux de gaz chaud produit à l'étape (b) sortant du premier étage. Selon un mode de réalisation particulier de l'appareil selon l'invention, destiné à la gazéification du bois, le dispositif de dessiccation du bois, par combustion d'aluminium dans de la vapeur d'eau, fait partie intégrante de l'appareil de gazéification. Préférentiellement, ce dispositif est réalisé en deux compartiments superposés, séparés par une cloison ondulée supportant le bois ; la combustion de l'aluminium dans la vapeur d'eau s'effectuant dans le compartiment inférieur , I'ensemble constituant un dispositif de dessiccation desservi par deux transporteurs à bande, assurant, I'un l'alimentation en bois, et l'autre le déversement du bois séché dans une trémie, à partir de laquelle le bois ainsi desséché est acheminé vers le premier et vers le second étage de l'appareil de gazéification ; la vapeur d'eau, libérée à la partie supérieure du compartiment supérieur du dispositif de dessiccation, est récupérée pour être injectée dans la réaction Al + H2O, entretenue dans le compartiment inférieur. Les avantages obtenus, grâce à cette invention, consistent essentiellement en ceci que, tant les énergies produites lors des réactions exothermiques du procédé que la vapeur d'eau libérée lors de la phase de dessiccation des matières carbonées, sont réutilisées dans le procédé, afin d'optimiser le rendement de l'appareil de gazéification, dans le but d'obtenir du méthanol de grande qualité à un prix compétitif. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, destiné à la gazéification de déchets de bois, donné à titre d'exemple non limitatif au regard des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 donne une représentation synoptique de l'ensemble de l'installation, incluant l'appareil de gazéification et le dispositif de dessiccation, - la figure 2 représente une vue d'ensemble schématique du système de préchauffage externe. Les figures représentent une installation de transformation de déchets de bois en méthanol, comportant un dispositif de dessiccation 10 constitué de deux compartiments 11, 12 superposés, séparés par une cloison 13 supportant les déchets de bois amenés par une trémie 14 et évacués par une trémie 17, avec collecte d'hydrogène par un collecteur 15 et de vapeur par un collecteur 16 ; la trémie d'évacuation 17 dessert, par l'intermédiaire de bandes transporteuses 18 et 19, le premier et le second étages d'un appareil de gazéification 20 comportant, pour le premier étage, un espace 21, réservé à la combustion spontanée d'une matière carbonée sous l'action d'air très chaud (étape a), et un espace 22, réservé à la combinaison, en présence d'un catalyseur au nickel, du dioxyde de carbone produit dans l'espace 21 à de la vapeur d'eau surchauffée (étape b), et, pour le second étage, un espace 23, réservé à la synthèse du gaz sortant de l'espace intermédiaire 22 en présence de vapeur d'eau surchauffée (étape c) ; lequel espace 23 communique avec un collecteur de gaz chaud 24, relié, par une tuyauterie 25, à un échangeur 30 comportant deux enceintes 31, 33 mises en communication par des tubes échangeurs 39 traversant une enceinte intermédiaire 32 assurant la transformation d'eau en vapeur surchauffée, diffusée par des tuyauteries 38 vers les espaces 22 et 23 de l'appareil de gazéification ; les enceintes 31 et 33 étant parcourues par un réseau de tubes 35 de réchauffage de l'air, dont les extrémités sont reliées, respectivement, à une soufflante 34 et à l'espace inférieur 21 de l'appareil de gazéification 20 ; I'enceinte inférieure 31 de l'échangeur 30 étant reliée à des séparateurs (non représentés) par l'intermédiaire d'un collecteur 37. La figure 2 représente le dispositif auxiliaire 40 permettant la mise en route de l'installation, lequel dispositif 40 comporte un brûleur 46 alimenté par une bouteille de gaz 47 ; les gaz dégagés par la combustion étant évacués par une cheminée 43, dans laquelle est déployée une conduite d'air 45 raccordée au refoulement d'un ventilateur 41 ; la cheminée 43 étant entourée par une enveloppe 42, dont la base est alimentée en eau par un réservoir 48, et dont la partie supérieure est reliée à une conduite 44, alimentant, en vapeur d'eau surchauffée, les espaces 21, 22 et 23 de l'appareil de gazéification 20. En examinant maintenant plus en détail la figure 1, on remarque que la matière carbonée humide à gazéifier est, tout d'abord, introduite dans le dispositif de dessiccation 10 par l'intermédiaire de la trémie 14, puis acheminée sur la cloison 13 vers la trémie d'évacuation 17, après avoir perdu de la vapeur d'eau qui est récupérée par le collecteur 16 pour être réinjectée dans le compartiment inférieur 11 où se produit la combustion d'aluminium en présence de vapeur d'eau surchauffée. La matière carbonée ainsi disséquée est introduite par des transporteurs à bande ou à vis vers les espaces inférieur 21 et supérieur 23 de l'appareil de gazéification 20, dans lesquels s'effectue, simultanément, la combustion spontanée par admission d'air chauffé à 700 ou 800"C d'une partie de la matière disséquée, afin d'obtenir la réaction exothermique aboutissant à la production de monoxyde de carbone à très haute température (1000"C environ) correspondant à l'étape (a) du procédé. Ce monoxyde de carbone (CO) traverse, ensuite, L'espace 22 contenant un catalyseur au nickel, pour y être mélangé à de la vapeur d'eau surchauffée provenant de l'échangeur 30, ce qui permet d'obtenir un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène (CO2 + H2) à haute température, correspondant à l'étape (b), qui est dirigé, à travers une grille, vers l'espace supérieur 23, dans lequel de la matière carbonée desséchée est introduite comme cela a déjà été mentionné ci-dessus ; laquelle matière s'enflamme spontanément en présence de vapeur surchauffée provenant de l'échangeur 30 par la tuyauterie 38, afin d'obtenir un gaz de synthèse constitué de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), sous une température d'environ 1 000"C, selon une réaction endothermique correspondant à l'étape (c). On remarque que le gaz de synthèse ainsi produit à haute température (environ 1 000"C) est dirigé vers l'échangeur 30, afin de transférer, à l'air soufflé dans le réseau de tubes 35, par la soufflante 34, L'énergie thermique nécessaire à l'élévation de la température de celui-ci à 700 ou 800"C, avant son introduction dans l'espace inférieur 21 de l'appareil de gazéification 20, afin d'obtenir l'inflammation spontanée de la fraction de matière carbonée sèche admise dans ce même espace inférieur 21 par le transporteur 18 en provenance de la trémie d'évacuation 17 de la matière sèche sortant du dispositif de dessiccation 10. On remarque aussi que, avant de gagner le collecteur de sortie 37 communicant avec l'enceinte inférieure 31 de l'échangeur 30, le gaz de synthèse produit est passé à travers l'enceinte intermédiaire 32, contenant de l'eau, en passant par des tubes échangeurs 39, afin d'obtenir la transformation de cette eau en vapeur surchauffée à une température atteignant au moins 500"C, en vue d'obtenir la dissociation des molècules d'eau en hydrogène et en oxygène naissant ; cette vapeur est, comme cela a déjà été dit, injectée dans l'espace intermédiaire 22 contenant le catalyseur au nickel, afin d'obtenir un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène à haute température ainsi que dans l'espace supérieur 23, où l'autre fraction de la matière carbonée sèche provenant de la trémie d'évacuation 17 du dispositif de dessiccation 10 est introduite en continu par les bandes transporteuses 19. On comprend que, lors de la mise en route de l'installation, il soit nécessaire de recourir à une installation auxiliaire 40, susceptible de produire, pendant un temps suffisant à l'obtention, au niveau de l'échangeur 30, des températures d'air et de vapeur capables d'amorcer le processus, puis de l'entretenir, de l'air à 700"C et de la vapeur à au moins 500OC. II a été choisi, comme exemple, la gazéification de déchets de bois, mais rien ne s'opposerait , bien évidemment, à ce que, par ce procédé et ces moyens, d'autres matières carbonées, tels que les déchets ménagers par exemple, soient gazéifiées, sous réserve de quelques adaptations mineures, évidentes pour l'homme de l'art. Revendications 1. Procédé de production de méthanol par gazéification de matières carbonées, selon lequel la synthèse du méthanol est obtenue à partir d'un gaz présentant un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour un mole de monoxyde de carbone, caractérisé en ce que l'élaboration du gaz de synthèse correspondant s'effectue en respectant les étapes suivantes a) de l'air chauffé à environ 700"C est soufflé sur de la matière carbonée, qui s'enflamme spontanément selon un réaction exothermique aboutissant à la production de monoxyde de carbone (CO) à haute température, b) le monoxyde de carbone (CO), produit à haute température à l'étape initiale (a), traverse un catalyseur au nickel, dans lequel il est mélangé à de la vapeur d'eau surchauffée à une température supérieure à 500"C ce qui permet d'obtenir, à la sortie du dit catalyseur, un mélange de dioxyde de carbone et d'hydrogène (CO2+ H2) à haute température : la transformation correspondante est exothermique, c) le mélange gazeux, obtenu à l'étape précédente (b), est dirigé vers la matière carbonée à gazéifier, qui s'enflamme spontanément vers 350"C en présence de vapeur d'eau surchauffée à très haute température (supérieure à 500"C), afin d'obtenir, selon une réaction endothermique, un gaz de synthèse constitué de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrogène (H2), selon un rapport molaire de deux moles d'hydrogène pour un mole de monoxyde de carbone. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air chaud et la vapeur d'eau, utilisés lors des étapes du procédé, sont obtenus par transfert de l'énergie calorifique contenue dans les gaz produits aux étapes (a) et (b), ou par préchauffage à l'aide d'une source d'énergie extérieure, lors de la mise en route de l'appareil. 3. Application du procédé selon les revendications 1 et 2 ci-dessus, à la gazéification de matières carbonées contenant une proportion d'eau, caractérisée en ce que le séchage de la matière, préalablement à son utilisation dans le processus de gazéification, s'obtient en utilisant la chaleur produite par la combustion exothermique d'aluminium dans de la vapeur d'eau surchauffée. 4. Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que la vapeur d'eau dégagée de la matière est récupérée et utilisée dans la combustion de l'aluminium. 5. Appareil permettant l'application du procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux étages, délimitant, pour le premier, L'espace 21 réservé aux étapes (a) et (b) du procédé, et, pour le second, L'espace 23 réservé à l'étape (c) dudit procédé. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte délimitant le second étage de celui-ci est disposée dans le flux des gaz chauds produits à l'étape (b) sortant du premier étage. 7. Appareil permettant l'application du procédé selon les revendications 1 et 2, à la gazéification de matières carbonées contenant une proportion d'eau selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le séchage de la matière, en utilisant la chaleur produite par la combustion exothermique d'aluminium dans de la vapeur d'eau, s'obtient par l'intermédiaire d'un dispositif de dessiccation 10 comportant deux compartiments 11, 12 superposés, séparés par une cloison 13 supportant la matière à sécher ; la combustion de l'aluminium s'effectuant dans le compartiment inférieur 11. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de dessiccation 10 est desservi par deux bandes transporteuses 18, 19 assurant respectivement, l'alimentation en matières à sécher et l'évacuation de la matière séchée vers une trémie 17 à partir de laquelle la matière est acheminée vers le premier et vers le second étage de l'appareil de gazéification 20. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la vapeur d'eau, libérée à la partie supérieure du compartiment supérieur (12) du dispositif de dessiccation, est récupérée pour être injectée dans le compartiment inférieur (11).