Brevet FR2818281A1 — publié le 20020621

L'invention concerne un procédé et un réacteur pour la gazéification de la biomasse et des déchets biologiques. La présente invention est relative à un procédé permettant la distillation suivie de la pyrolyse et de la carbonisation de déchets, notamment de type végétaux ou ordures ménagères avec obtention de gaz et de charbon en continu L'invention décrit également une chaudière-réacteur, permettant la réalisation de ce procédé ainsi que les sous-produits du dit procédé, en ce compris du charbon actif à grande surface d'échange, et des gaz combustibles, notamment de l'hydrogène et du méthane valorisable sous forme de méthanol Il est connu de réaliser l'incinération de déchets notamment de type végétaux, farines animales ou ordures ménagères, par exemple dans des incinérateurs industriels. Ce procédé présente de nombreux inconvénients, parmi lesquels on citera une consommation importante d'énergie primaire (combustible de type hydrocarbure liquide ou gazeux injecté dans le foyer), l'émission de fumées potentiellement polluantes (quelles que soient les précautions prises au niveau du lavage et de la filtration des fumées en sortie d'incinérateur, on constate la formation de Dioxines et l'émission de particules solides qui ont un impact négatif sur l'environnement à proximité des usines d'incinération) et la production de cendres contenant des métaux lourds ainsi que d'autres substances polluantes. L'incinération des déchets de type végétaux ou ordures ménagères présente donc un coût économique et un coût écologique (au sens des impacts sur l'environnement) particulièrement défavorables. Pour réduire ces impacts environnementaux, on a proposé de réaliser cette incinération à très haute température, par exemple au moyen de torches plasma mais dans ce cas le coût économique est tel que seule la destruction de déchets ultimes particulièrement dangereux justifie cette procédure Il est également connu de traiter les déchets de type végétaux, ou ordures ménagères par bio dégradation. Ce procédé consiste à placer les déchets dans une fosse, préférentiellement séparée du sol par une blomembrane, à les laisser se décomposer par fermentation et dégradation naturelle ou forcée tout en récoltant, au fur et à mesure de leur formation et par des moyens appropriés, les gaz issus de la fermentation et de la biodégradation des déchets. Cette famille de procédés, sil elle donne de bons résultats en matière de protection de l'environnement, présente l'inconvénient de nécessiter des volumes de stockages importants et, surtout, un temps de traitement particulièrement long. La réduction de volume par rapport à l'état initial reste limitée et l'utilisation des compost obtenus en fin de cycle par épandage sur les terres cultivées n'est pas toujours possible. Enfin, le rendement de ce type de procédé est au maximum de 500 litres de gaz à faible PCI (maximum 1350 kcal/Nm3) par kg de matière traitée. On connaît depuis longtemps les procédés de combustion dits à gazogène dans lesquels un combustible, généralement du bois ou du charbon, est soumis à une température élevée sans être directement exposé à la flamme de telle façon qu'il soit progressivement transformé en gaz combustible, ledit gaz combustible étant ensuite utilisé comme carburant. Les appareils de type gazogène ne peuvent fonctionner correctement qu'avec des produits combustibles pratiquement exempts d'humidité, ils nécessitent un apport d'air extérieur et leur rendement est limité à 3.200 thermies par tonne de produit. On connaît également les procédés de combustion dits à lits ftu ! d) sés dont le rendement thermique est pénalisé par la présence d'humidité dans les produits de combustion et qui nécessite un apport d'air extérieur. Ces procédés, outre des performances limitées par construction à un rendement thermique théorique de 4200 thermies heure par tonne et pratiquement toujours inférieur à 3500 Th/h par tonne compte tenu de la présence inévitable d'humidité dans le bois, présentent l'inconvénient de rejeter dans l'atmosphère d'importantes quantités de fumées chargées de produits polluants. Pour résoudre les difficultés Inhérentes aux procédés de traitement de déchets connus dans l'art antérieur, l'invention propose un procédé permettant la distillation, la pyrolyse et la carbonisation de déchets, notamment de type végétaux ou ordures ménagères ou farines animales avec obtention de gaz et de charbon actif en continu. Ce procédé permet, à partir de déchets de type végétaux ou ordures ménagères, d'obtenir, moyennant une consommation d'énergie primaire faible ou nulle, et selon un cycle de traitement particulièrement court, d'une part des gaz valorisables notamment par leur contenu énergétique et d'autre part du charbon actif présentant une importante surface développée en regard de sa masse, ce qui le rend apte à de nombreuses utilisations dans l'industrie. Un objectif essentiel de l'invention est de permettre un traitement des déchets, notamment des déchets de type végétaux ou provenant d'ordures ménagères, dans des conditions économiques optimisées Un objectif annexe de l'invention est de permettre la destruction, dans des conditions écologiques et prophylactiques optimisées, des farines et graisses animales impropres à la consommation humaine ou animale. Un objectif complémentaire de l'invention est de permettre le traitement de ces déchets dans des conditions optimales de respect de l'environnement, notamment en réduisant le poids des déchets ultimes, en évitant toute nuisance sur l'air ou sur l'eau et en produisant exclusivement ou quasi exclusivement des matériaux valorisables dans le process lui-même ou dans d'autres process industriels. Pour atteindre ces objectifs et des objectifs complémentaires qui apparaîtront lors de la description suivante du procédé, l'invention propose d'utiliser une chaudière réacteur, qui comportera un foyer principal séparé par une paroi étanche et conductrice de la chaleur d'une enceinte de combustion et de pyrolyse, elle même en contact thermique avec un extracteur de chaleur La géométrie de la chaudière réacteur selon l'invention sera préférentiellement une géométrie verticale, comportant en partie haute une trémie d'alimentation en combustible, en partie centrale les organes de combustion, de pyrolyse ou de récupération de chaleur et en partie basse un réceptacle de récupération du charbon actif. Cette géométrie sera notamment caractérisée en ce que les fumées issues de la combustion lente des déchets et matières introduits dans l'enceinte de combustion et de pyrolyse sont extraites en partie basse de la dite enceinte, si bien que le sens de circulation des fumées dans la chaudière réacteur sera même que celui de l'écoulement des matières. L'inversion du sens de circulation des gaz de combustion lente sera obtenue en créant une dépression au niveau de la tuyauterie d'extraction débouchant en partie basse de la chambre de combustion. Le procédé est notamment caractérisé en ce qu'il consiste à provoquer une combustion vive dans le foyer principal et à utiliser la transmission de chaleur à travers la paroi métallique pour porter l'enceinte de combustion lente à une température suffisante pour provoquer la pyrolyse de l'eau. Le combustible étant placé dans cette enceinte, il subit une combustion sans flamme et une pyrolyse dont les produits sont : Hydrogène : 15,3% Méthane : 14,8% Oxyde de carbone : 13, 7% Azote : traces Éthane : 1,7% Oxygène 1, 4% Gaz carbonique : 42,2% Vapeur d'eau. complément à 100 % Ces valeurs sont données pour le cas particulier où l'on choisit une température de 980oc Dans la pratique, on pourra choisir une température plus basse sans modifier significativement la composition des gaz obtenus, et ce sous réserve que la température reste supérieure à 600 Oc de telle façon qu'on sot assuré d'obtenir la cracking des molécules d'eau. La composition des gaz obtenus en sorte de l'enceinte de combustion et de pyrolyse dépend également de la nature des déchets Introduits dans cette enceinte, ainsi, si l'on introduit principalement de l'écorce de pin, on obtient des gaz composés essentiellement d'hydrogène (de 22 à 36 %) et de Méthane (de 10 à 16 %) S'agissant de gaz à très haut pouvoir énergétique, il pourra être intéressant, dans une variante de la chaudière réacteur selon l'invention, de prévoir une captation et un traitement (par exemple compression, refroidissement, séparation et condensation) - -'- permettant d'extraire le méthane, préférentiellement sous forme de méthanol, en vue de son utilisation dans différents process industriels. Ces produits de combustion et de pyrolyse se trouvent principalement sous forme de gaz, ledit gaz étant réinjecté sans apport d'air extérieur dans le foyer principal où il subit une combustion vive, si bien que le procédé est autoentretenu. Bien entendu, on prévoira un dispositif d'amorçage, soit en utilisant une réserve de gaz externe, soit encore en stockant une quantité suffisante de gaz produit lors de la phase d'arrêt précédente de la chaudière réacteur. En partie basse de la chaudière réacteur, on constate la formation de résidus de combustion lente, résidus qui présentent l'avantage d'être essentiellement voire exclusivement constitués par du charbon actif. Ce charbon actif est un sous-produit particulièrement intéressant qui constitue l'un des avantages essentiels du procédé selon l'invention. Les essais réalisés par le demandeur ont montré que ce charbon présentait, sans qu'il soit nécessaire de procéder à une activation spécifique, une valeur B E. T. de 280 m2/g Ce charbon actif pourra être utilisé dans de nombreux process industriels, comme la filtration de l'eau, la filtration de liquides alimentaires, ou encore le nettoyage et l'épuration de fumées et de gaz d'échappement (véhicules automobiles ou installations fixes). Ce pouvoir filtrant est à ce point important que l'on pourra, dans une variante de l'invention, diriger les fumées issues de la combustion vive réalisée dans la première chambre vers un compartiment situé sous la chambre de combustion lente et rempli de charbon actif collecté en tant que sous produit de la combustion lente On obtiendra alors des fumées parfaitement exemptes de toute impureté susceptible de polluer l'atmosphère. Cette disposition particulière est en principe inutile si l'on brûle exclusivement des matières organiques et végétales ; en effet dans ce cas, les fumées issues de la organiques et végétales, combustion vive réalisée dans la première chambre se trouvent être exemptes d'impuretés. Cela étant, il se pourra que l'on utilise le procédé selon l'invention pour brûler des déchets en mélange. Dans ce cas, cette disposition particulière consistant à boucler les fumées de combustion vive sur un sous-produit de la combustion lente et de la pyrolyse, à savoir le charbon actif, sera une disposition particulièrement avantageuse de l'invention. v Le procédé, l'appareil et les produits issus de l'invention seront mieux compris si l'on se réfère à la figure annexée (planche unique/figure 1) qui représente une vue en coupe d'une chaudière réacteur selon l'invention. On voit que cette chaudière comporte au moins trois chambres cylindriques concentriques dont - une première chambre (1) munie de moyens (4) d'introduction de combustible et de moyens (5) d'extraction de fumées. - une deuxième chambre (2) située en périphérie et en contact thermique avec la première chambre (1) munie en partie haute de moyens (7) d'introduction de matières végétales et/ou organiques et en partie basse de moyens (8) d'extraction de résidus de combustion, ladite deuxième chambre (2) comportant en outre, en partie basse, des moyens (10) d'extraction du gaz produit dans cette chambre - une troisième chambre (3) située en périphérie de et en contact thermique, à travers une paroi (12) étanche et conductrice de la chaleur, avec la deuxième chambre (2), ladite troisième chambre (3) étant munie de moyens de circulation d'eau sous forme liquide ou vapeur. Par ailleurs, une connexion (11) est réalisée au moyen d'une tuyauterie entre les moyens (10) d'extraction du gaz produit dans la deuxième chambre (2) et les moyens (4) d'introduction de combustible dans la première chambre (1), ceci de façon à permettre de boucler la chaudière réacteur sur elle même et à lui permettre de fonctionner de façon totalement autonome De façon avantageuse, cette connexion (11) sera munie de moyens (7) permettant de créer une dépression au niveau du point d'extraction des gaz de combustion produits dans la chambre (2), ceci de façon à forcer les fumées de combustion à suivre un chemin descendant dans la chambre (2), c'est à dire à entrer en contact avec les matières les plus chaudes contenues dans la chambre (2) Les gaz brûlés dans la première chambre (1) étant des produits des phénomènes de pyrolyse et de combustion lente des matières végétales et ou organiques présentes dans la deuxième chambre (2) qui se trouve soumise à une température élevée grâce à la conduction thermique et au rayonnement de la paroi (6), on comprend qu'une réserve de carburant soit nécessaire pour amorcer le procédé. Ainsi, on prévoira un stock tampon (14). Ce stock tampon sera rempli soit d'un gaz combustible du commerce, soit, préférentiellement de gaz excédentaire extrait de la deuxième chambre lors d'une précédente période de fonctionnement de la chaudière réacteur selon l'invention. A cet effet, on prévoira un jeu de vannes (15) permettant d'alimenter la chambre (1) successivement par du carburant provenant du stock tampon puis par du carburant provenant de la deuxième chambre (2). Les produits soumis à la pyrolyse et à une combustion lente dans la deuxième chambre (2) circulent par gravité dans cette chambre (2) qu'ils traversent de haut en bas. Au cours de ce trajet, ces produits se transforment progressivement, essentiellement en gaz et accessoirement, pour leur seule partie résiduelle, en charbon actif. Contrairement aux fours de carbonisations connus dans l'art antérieur qui prévoient une extraction des gaz de combustion en partie haute des chambres, l'invention préconise de récupérer les gaz de combustion par des moyens d'extraction (10) placés en partie basse de la chambre (2). Ces moyens d'extraction seront complétés par un dispositif (7) permettant de créer une dépression en sortie de la chambre (2) avec lequel ils communiqueront par exemple au moyen de la canalisation (11). Cette disposition permet de forcer les molécules à cheminer dans un milieu de plus en plus chaud, ce qui a pour effet de provoquer la dessiccation progressive des matières ainsi que la catalyse des molécules qui se trouvent forcément en contact prolongé avec des éléments incandescent puisque, au lieu de les laisser s'échapper vers le haut comme cela se passerait dans un four compris dans l'art antérieur, on prévoit les moyens de les obliger à parcourir le chemin inverse du chemin naturel. Les matières et déchets seront avantageusement introduits dans cette chambre (2) par un avaloir (18) débouchant sur un cylindre munis d'une vis sans fin (19). Cette vis sans fin (19) permettra de réguler la quantité de matière Introduite dans la chambre (2). A la base de cette chambre (2), on prévoira avantageusement un deuxième cylindre, également muni d'une vis sans fin, ceci de façon à réguler la vitesse d'extraction des résidus (9) de combustion en dehors de la deuxième chambre (2). De façon avantageuse, ces résidus (9) de combustion seront collectés dans un réceptacle (16) Dans une variante de l'invention, on choisira de boucler les moyens (5) d'extraction des fumées de la o première chambre (1) sur ce réceptacle (16), ceci de façon à assurer une filtration et un nettoyage aussi complet que possible des éléments rejetés dans l'atmosphère. Ce bouclage sera réalisé en connectant les moyens (5) d'extraction des fumées de la première chambre (1) à ce réceptacle (16) dans lequel lesdites fumées seront nettoyées par passage à travers le charbon actif. Cette disposition particulière sera notamment respectée lorsque le procédé sera utilisé pour éliminer des déchets en mélange. Elle présente un intérêt remarquable, dès lors que l'on fait appel au procédé et matériels selon l'invention pour détruire des farines ou graisses animales, puisque, dans ce cas, les dites farines ou graisses, introduites seules ou en mélange avec d'autres déchets organiques ou végétaux sont portées durant leur passage dans la chambre (2) à une température suffisante pour que l'on obtienne l'assurance de la destruction totale et définitive des virus, prions ou bactéries qu'elles pourraient se trouver contenir Supplémentairement, le traitement des fumées issues de la combustion vive, dans la première chambre (1) des gaz produits par la pyrolyse de ces matières réalisée dans la chambre (2) sur le charbon actif recueilli dans le compartiment (16) permet d'éliminer tout risque de dispersion de produits nocifs dans l'atmosphère Dans le but de régler la vitesse de réaction et le rendement du process, on s'assurera que les moyens (7) d'introduction de la matière végétale et/ou organique dans la deuxième chambre (2) ainsi que les moyens (8) d'extraction des résidus de combustion soient asservis à des moyens de régulation dont l'action permettra d'influer sur la quantité de matière végétale et/ou organique présente dans la deuxième chambre (2) et sur le temps de passage des matières végétales et/ou organiques dans la dite chambre Pour parfaire le rendement thermique du process, on choisira de connecter les moyens (10) d'extraction du gaz produit dans la deuxième chambre (2) à un échangeur (13) de chaleur dans lequel ce gaz sera refroidi dans des proportions importantes, par exemple depuis 900 0 en sortie de la chambre (2) jusqu'à moins de 100 OC. les calories ainsi récupérées seront avantageusement transférées, via l'échangeur (13) à un circuit d'eau sous forme liquide ou vapeur. On pourra également choisir d'extraire une partie des gaz produits dans - 1la chambre (2), par exemple au moyen d'une vanne (17) ceci dans le but de traiter ces gaz, par exemple au moyen de tours de raffinage permettant notamment une valorisation spécifique, par exemple sous forme de méthanol, du méthane produit dans la chambre (2) Le charbon actif (9) obtenu en tant que résidu de combustion des matières végétales et/ou organiques subissant une combustion lente au cours du procédé et dans une chaudière selon l'invention fait partie intégrante de la dite invention ; en effet, même si le charbon actif et ses utilisations sont connus en tant que tels, ce mode de fabrication, dans un procédé auto-entretenu ne nécessitant (hors amorçage) aucun apport d'énergie extérieure et ne générant aucune pollution significative, d'un charbon présentant une très importante surface développée en regard de son poids, constitue une innovation ouvrant de larges perspectives économiques et techniques Les dispositions décrites dans la présente invention sont données à titre indicatif. On pourra choisir d'autres modes de réalisation, et notamment de nombreuses dispositions géométriques des chambres (1,2 et 3) et de leur agencements respectifs sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. De même le procédé et la chaudière-réacteur issus de l'invention trouveront-ils leurs applications non seulement dans le traitement, aux fins d'élimination et de valorisation économique optimisée avec des impacts environnementaux aussi faibles que possibles, de toutes sortes de biomasse et de combustibles solides, en ce compris les déchets en mélange, les ordures ménagères et les farines et graisses d'origine animale. REVENDICATIONS 1/Procédé de traitement de matières végétales et/ou organiques dans une chaudière réacteur caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une combustion vive dans une première chambre (1) munie de moyens (4) d'introduction d'un gaz combustible et de moyens (5) d'extraction de fumées, ladite première chambre (1) étant en contact thermique par l'intermédiaire d'au moins une paroi (6) étanche et conductrice de la chaleur avec une deuxième chambre (2) comportant en partie haute des moyens (19) d'introduction de matières végétales et/ou organiques et en partie basse des moyens (8) d'extraction des résidus (9) de combustion, la deuxième chambre (2) étant le siège d'un processus de pyrolyse et de combustion lente des matières végétales et/ou organiques et comportant en outre des moyens (10) d'extraction de gaz, les dits moyens (10) d'extraction de gaz étant situés en partie basse de la chambre (2) et communicant par une canalisation (11) avec les moyens (4) d'introduction dans la première chambre (1) de tout ou partie du gaz combustible produit dans la deuxième chambre (2). 2/Procédé de traitement de matières végétales et/ou organiques dans une chaudière réacteur selon le revendication 1 caractérisé en ce que la deuxième chambre (2) est elle même en contact thermique à travers au moins une paroi (12) étanche avec une troisième chambre (3) dans laquelle circule de l'eau ou de la vapeur. 3/Procédé de traitement de matières végétales et/ou organiques dans une chaudière réacteur selon revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les gaz produits dans la chambre de combustion lente (2) parcourent ladite chambre du haut vers le bas et sont extraits en partie basse de ladite chambre (2) 4/Procédé de traitement de matières végétales et/ou organiques selon revendications 1 et 3, caractérisé en ce que les résidus (9) de combustion sont collectés dans un réceptacle (16) et en ce que les moyens (5) d'extraction des fumées de la première chambre (1) sont connectés à ce réceptacle (16) dans lequel lesdites fumées sont nettoyées par passage à travers le charbon actif 5/Chaudière-réacteur caractérisée en ce qu'elle comporte au moins trois chambres cylindriques concentriques, dont : une première chambre (1) munie de moyens (4) d'introduction de combustible et de moyens (5) d'extraction de fumées - une deuxième chambre (2) située en périphérie et en contact thermique avec la première chambre (1), ladite deuxième chambre (2) étant munie en partie haute de moyens (19) d'introduction de matières végétales et/ou organiques et en partie basse de moyens (8) d'extraction de résidus de combustion, et comportant en outre des moyens (10) d'extraction du gaz produit dans cette deuxième chambre (2),. - une troisième chambre (3) située en périphérie de et en contact thermique avec la deuxième chambre (2), ladite troisième chambre (3) étant munie de moyens de circulation d'eau sous forme liquide ou vapeur Et en ce qu'il existe une connexion (11) entre les moyens (10) d'extraction du gaz produit dans la deuxième chambre (2) et les moyens (4) d'introduction de combustible dans la première chambre (1). 6/Chaudière réacteur selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens d'extraction (10) des gaz produits dans la chambre (2) sont placés en partie basse de la chambre (2) et communiquent avec de moyens (7) permettant de créer une dépression au niveau du point d'extraction des gaz de combustion produits dans la chambre (2), ceci de façon à forcer les fumées de combustion à suivre un chemin descendant dans la chambre (2) 7/Chaudière réacteur selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (19) d'introduction de la matière végétale et/ou organique dans la deuxième chambre (2) ainsi que les moyens (8) d'extraction des résidus de combustion sont asservis à des moyens de régulation dont l'action permet d'influer sur la quantité de matière végétale et/ou organique présente dans la deuxième chambre (2) et sur le temps de passage des matières végétales et/ou organiques dans la dite deuxième chambre (2). 8/Chaudière réacteur selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (10) d'extraction du gaz produit dans la deuxième chambre (2) sont connectés à un échangeur (13) de chaleur 9/Charbon actif obtenu en tant que résidu de combustion des matières végétales et/ou organiques subissant une combustion lente au cours d'un procédé conforme à la revendication 1. 10/Charbon actif obtenu en tant que résidu de combustion des matières végétales et/ou organiques subissant une combustion lente dans une chaudière selon la revendication 5.