Brevet FR2874023A1 — publié le 20060210

PROCEDE DE FABRICATION D'UN GAZ COMBUSTIBLE PAR ACTION D'UN PLASMA IMMERGE SUR DE LA MATIERE ORGANIQUE EN MILIEU AQUEUX DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un gaz combustible à partir d'une matière organique. Ce procédé est notamment susceptible d'être utilisé pour le traitement de la biomasse, tels que les boues organiques, les huiles usées, les matériaux plastiques, les déchets agricoles. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Actuellement, l'épuisement des ressources en énergies fossiles pose un problème fondamental en ce qui concerne l'approvisionnement en combustible des systèmes technologiques. Une méthode particulièrement attractive permettant le remplacement des sources habituelles de combustible (telles que le charbon, le pétrole) est la gazéification de matières organiques solides ou liquides, laquelle permet d'obtenir un gaz combustible énergétique transformable en énergie mécanique ou électrique. La matière organique susceptible d'être valorisée en gaz combustible peut provenir de la biomasse, telle que des déchets domestiques, industriels, agricoles, dont le volume ne cesse d'augmenter avec les années. Les procédés de gazéification de matières organiques connus sont actuellement essentiellement des dérivés de procédés d'incinération de matières organiques, permettant à la fois la destruction des matières organiques et la production de gaz combustible. Ces procédés fonctionnent sur un mode pyrolytique, c'est-à-dire dans une atmosphère pauvre en oxygène. Les procédés de gazéification classiques sont mis en uvre dans des fours simples, parmi lesquels on peut citer les fours à grille fixe, les fours à grille mécanique, le chauffage ayant lieu par le biais d'un combustible, tel que du bois ou du charbon. Ces procédés concernent essentiellement le traitement des déchets organiques solides. Les fours à grille simple sont des foyers rustiques permettant de traiter des matières diverses, hétérogènes du type bois, cartons, emballages, le plus souvent en vrac et présentant des taux d'humidité élevées. Des grilles inclinées automatisent l'extraction des cendres. Ces fours présentent l'avantage d'être simples à utiliser et n'exigent qu'un faible investissement. Toutefois, les grilles fonctionnent de manière discontinue et limitent donc la capacité de traitement des matières à 50 à 1000 kg par heure. Les fours à grille mécanique sont généralement dédiés au traitement des déchets assez grossiers, tel que les ordures ménagères. Parmi les fours à grille mécanique, on peut citer: - les fours comprenant des grilles à tapis mobiles en général utilisées pour des charbons, des granulés d'ordure ménagères, des déchets végétaux; - les fours comprenant des grilles à barreaux basculant qui permettent de traiter des ordures ménagères en vrac, sans triage préalable; - les fours comprenant des soles tournantes, qui sont des plateaux cylindriques entraînés périodiquement en rotation qui assurent le brassage des déchets. Le rendement de tels fours est nettement supérieur à celui de fours à grille fixe. Toutefois, il faut prendre en compte les risques de blocage ou de détérioration de la grille lors de l'incinération des matières organiques. D'autres procédés de gazéification de matière organique connus mettent en oeuvre un chauffage par arc électrique dans un four à arc. Dans ces procédés, la gazéification est obtenue en soumettant la matière organique à un arc électrique, vecteur de températures très élevées (de l'ordre de 3000 C ou plus), ledit arc électrique étant obtenu par passage d'un courant entre deux électrodes dans un milieu gazeux ionisé. Actuellement, l'utilisation de fours à arc se rencontre essentiellement dans l'industrie métallurgique, par exemple, pour l'élaboration d'électrofondus. La mise en oeuvre de ce type de procédé pour l'incinération des déchets rencontre encore de nombreux inconvénients, tels que l'érosion des matériaux réfractaires constitutifs des parois du four. Enfin, lorsque la matière organique se présente sous forme de boues, il est courant de l'incinérer dans des fours à lit fluidisé. Ce genre de four est bien adapté à l'incinération des boues industrielles et urbaines. Un four à lit fluidisé se présente sous la forme d'une enceinte verticale fermée, de forme cylindrique, contenant un lit de sable très chaud (entre 750 C et 850 C) maintenu en suspension par un courant d'air ascendant injecté à sa base au travers d'une grille de répartition. Les déchets sont injectés directement dans le lit lui-même ou introduits dans la partie supérieure du four. Un débit d'air assure à la fois la fluidisation du lit et l'apport nécessaire à la combustion. Cette technique assure un bon transfert de matière et d'énergie. Cependant, ces fours présentent de strictes contraintes d'utilisation. Ainsi, les déchets, lorsqu'ils sont solides, doivent avoir une granulométrie du même ordre de grandeur que le matériau constituant le lit. La teneur élevée en particules nécessite d'importants équipements de dépoussiérage. De plus, il est formellement interdit d'atteindre le point de ramollissement des cendres, ce qui pourrait conduire à la prise en masse du lit fluidisé. Les gaz ainsi produits se retrouvent ainsi chargés d'une grande quantité de cendres. L'ensemble de ces procédés d'incinération décrits ci-dessus est basé sur la pyrolyse des matières organiques à gazéifier, qui consiste à soumettre la matière à une dégradation thermique s'accompagnant de la production des éléments principaux suivants: - un résidu carboné (coke) renfermant les matières minérales initiales; - des gaz condensables contenant des hydrocarbures lourds (tels que des goudrons, des huiles) ; - des gaz incondensables combustibles (CO, CO2r H2...) . Les gaz combustibles, avant d'être utilisés, doivent être séparés des produits de combustion gênants tels que les suies, les goudrons ou encore la poussière présente en suspension dans les gaz. Les gaz condensables ainsi que les résidus carbonés peuvent être convertis ultérieurement en gaz combustible au cours d'une opération de reformage à la vapeur à température élevée (par exemple de l'ordre de 900 C) . La gazéification par pyrolyse peut entraîner également la formation de produits toxiques, tels que des dioxines, qui doivent être séparés des gaz combustibles formés, soit par un refroidissement contrôlé des gaz ou par une épuration des gaz sur filtres spéciaux. Comme il ressort de l'exposé ci-dessus, la gazéification de la matière par pyrolyse nécessite la mise en place d'un équipement complexe (fours, unités de séparation, unités de post-traitement...) pour obtenir un gaz combustible de qualité. Afin de pallier aux problèmes liés à la formation de sous-produits gênants tels que les 30 goudrons, les suies et de manière à simplifier les installations de gazéification, certains auteurs ont proposé de porter la matière organique à gazéifier à des températures beaucoup plus élevées que les températures classiquement atteintes dans des fours de gazéification. Pour ce faire, ces auteurs ont proposé d'utiliser comme moyens de chauffage une torche à plasma, en milieu réducteur. Toutefois, si un tel chauffage permet d'éviter en grande partie la formation de goudrons et de suies, il ne permet pas de supprimer la présence d'une grande quantité de poussières dans les gaz combustibles formés. Pour l'ensemble des procédés d'incinération décrits dans l'art antérieur, d'un point de vue économique, il est nécessaire de procéder à un séchage de la charge à incinérer, lorsque celle-ci comprend un taux d'humidité trop important. Le séchage préalable de la matière organique s'avère être une étape particulièrement coûteuse. Ainsi, les procédés de gazéification de la matière organique exposes dans l'art antérieur présentent l'un ou plusieurs des inconvénients suivants: ils entraînent la formation de sous-produits gênants tels que des goudrons, des suies; - ils ne permettent pas une récupération maximale de l'énergie contenue dans la matière organique sous la forme de gaz combustible; - ils mettent en oeuvre des installations complexes; 30 - ils entraînent une dégradation dans le temps des réacteurs, dans lesquels ils sont mis en oeuvre; - ils nécessitent un prétraitement de 5 séchage de la matière à gazéifier. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a précisément pour but de fournir un procédé de fabrication d'un gaz combustible qui permette de surmonter les inconvénients de l'art antérieur, et notamment qui permette l'obtention d'un gaz combustible dépourvu de cendres. Le but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un gaz combustible, qui puisse être mis en uvre dans un réacteur en maintenant les parois de celui-ci froides. Les buts mentionnés ci-dessus sont atteints par la présente invention qui a pour objet un procédé de préparation d'un gaz combustible à partir d'une matière organique, dans lequel l'on soumet ladite matière organique comprise dans un milieu comprenant de l'eau à un plasma thermique immergé dans ledit milieu. En d'autres termes, la matière organique comprise dans un milieu aqueux, est soumis, dans un réacteur de gazéification, à un plasma thermique immergé dans ledit milieu aqueux, pendant un temps adéquat jusqu'à l'obtention d'un gaz combustible. On précise que la matière organique peut être, selon sa nature, en solution, en émulsion ou encore en suspension dans le milieu comprenant de l'eau. Par gaz combustible, on entend, dans ce qui précède et ce qui suit, un gaz ou un mélange de gaz combustible en présence d'air ou d'oxygène. Le gaz combustible peut être du monoxyde de carbone, de l'hydrogène, des hydrocarbures légers (méthane, acétylène...etc) . On précise que, par plasma thermique, on entend, dans ce qui précède et ce qui suit, un milieu gazeux partiellement ionisé conducteur de l'électricité porté à des températures pouvant aller de l'ordre de 3000 C à 14 000 C. Ainsi, grâce à ce procédé, le fait que l'apport de chaleur nécessaire à la gazéification est fourni par un plasma thermique immergé permet de maintenir le réacteur globalement froid, sauf dans la zone de traitement très localisée immergée, ce qui permet de minimiser les problèmes de corrosion rencontrés dans l'art antérieur, où les fours fonctionnaient à des températures globales moyennes très élevées. L'on peut ainsi mettre en oeuvre le procédé de l'invention dans des réacteurs, dont les parois ne sont pas en un matériau réfractaire. A titre d'exemples, des réacteurs adéquats, pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, peuvent être des réacteurs dont les parois sont en métal tel que de l'acier inoxydable, ou en un matériau polymère/ tel qu'un matériau plastique ou à base de résine(s). L'utilisation d'un plasma thermique en tant que source de chaleur permet d'atteindre des températures locales très élevées, ce qui permet d'éviter l'obtention de sous-produits indésirables, tels que les goudrons, comme c'est le cas des procédés connus de l'art antérieur. Enfin, le fait que la gazéification se déroule en milieu immergé simplifie à l'extrême le traitement des gaz produits. En effet, le lavage des gaz (tel que l'épuration des poussières) est effectué in situ, par la capacité inhérente aux milieux liquides de retenir les particules solides. La trempe très rapide des gaz produits, grâce au milieu aqueux environnant, permet également d'éviter la reformation de produits toxiques, tels que des dioxines. Selon l'invention, le plasma thermique utilisé dans le cadre de l'invention peut être un plasma à arc, tel qu'un plasma à arc non transféré (dénommé, dans la suite de la description, plasma à arc soufflé) , ou à arc transféré entre au moins deux électrodes, les deux électrodes étant immergés dans le milieu aqueux. Le plasma thermique peut être également un plasma d'induction, l'induction étant un moyen alternatif à l'arc pour obtenir un plasma thermique. Que ce soit pour le plasma à arc ou le plasma d'induction, il y a toujours génération d'un panache de plasma (ou écoulement plasma) en immersion, lequel va être utilisé pour fabriquer le gaz combustible à partir d'une matière organique. Avantageusement, l'écoulement plasma est situé globalement au centre de la zone définie par le milieu comprenant de l'eau. Dans le cas d'un plasma à arc soufflé ou d'induction, celui-ci est généré sous forme d'un écoulement plasma issu d'une torche à plasma immergée dans le milieu aqueux comprenant la matière organique à gazéifier. Dans le cas d'un plasma d'arc transféré entre au moins deux électrodes, celui est généré par action d'un arc électrique entre lesdites deux électrodes, sur le milieu aqueux, qui est dans ce cas de figure, l'élément plasmagène. Dans le cas du plasma d'arc transféré, les électrodes immergées peuvent être soit en métal, tel que du cuivre soit en un matériau non métallique, tel que du graphite. Lorsque les électrodes sont en un matériau métallique, elles seront avantageusement protégées de l'oxydation par un gainage de gaz neutre, par exemple. Les électrodes entre lesquelles est produit le plasma peuvent être alimentées soit par un courant continu, soit par un courant alternatif. De préférence, le courant alimentant les électrodes est un courant alternatif. Il permet, lorsque les électrodes sont en un matériau consommable, tel que du graphite, de limiter et répartir uniformément l'usure des électrodes. En effet, lors du fonctionnement, des ions chargés positivement se dirigent vers la cathode où ils forment un dépôt conducteur, tandis que l'anode est quant à elle consommée par destruction de matière passant en solution. Lorsque le courant est alternatif, le dépôt est formé et détruit alternativement sur chacune des électrodes. De préférence, le milieu comprenant de l'eau est un milieu agité. Ainsi, ce milieu peut être soumis à une agitation mécanique, magnétique ou encore une agitation thermique due à la convection naturelle générée par le chauffage localisé induit par le plasma thermique immergé. L'agitation mécanique peut être obtenu par le biais d'un agitateur mécanique placé dans le réacteur de gazéification ou des moyens de soutirage, tels qu'explicités ci-dessous. Avantageusement, ce milieu est un milieu circulant. Le procédé de l'invention trouve son application dans le domaine du traitement des matières organiques carbonées générées en grande quantité mais également en faible quantité. Le procédé peut donc trouver son application dans la conversion de biomasse à petite échelle (par exemple pour l'alimentation d'un moteur à combustion) ou à plus grande d'échelle, notamment lorsqu'il s'agit de convertir des excédents de production sucrière ou de la biomasse dédiée. On précise que par biomasse, on entend, dans ce qui précède et ce qui suit, l'ensemble des matières organiques produites par la croissance végétale et animale, ou par l'activité humaine ou animale, qui peuvent être utilisées pour la production d'énergie ou à d'autres fins. On peut citer, comme biomasse susceptible 30 d'être traitée par le procédé de l'invention, les matières organiques suivantes: - les boues organiques variées (stations d'épuration d'eaux usées..) ; - les déchets agricoles; - la production agricole (telle que la 5 production sucrière) ; - les huiles usées; - les matières à base de cellulose ou de matériaux plastiques; - les produits chimiques en solution ou 10 suspension. Ces matières organiques peuvent se présenter sous forme de solutions, de suspensions, d'émulsions. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture du complément de description qui suit, qui est donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et en référence aux dessins annexés. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 représente schématiquement un réacteur de gazéification fonctionnant avec un plasma d'arc soufflé ou d'induction (la représentation étant la même) pour la mise en uvre du procédé de l'invention. La figure 2 représente schématiquement un réacteur de gazéification fonctionnant avec un plasma d'arc transféré pour la mise en uvre du procédé de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente, sous une forme schématique, un réacteur de gazéification 1 dans lequel peut être mis en uvre le procédé de l'invention. Le réacteur de gazéification 1 comprend une enceinte 3, de forme cylindrique, présentant une paroi inférieure 5, une paroi latérale 7 et une paroi supérieure 9, l'enceinte pouvant être en un matériau non réfractaire. Ce réacteur comprend, dans sa partie inférieure, une torche à plasma d'arc soufflé 11. De manière classique, une torche à plasma d'arc soufflé comporte deux électrodes, une négative appelée cathode et une positive appelée anode. L'anode est percée d'un trou central servant de tuyère d'éjection de l'écoulement plasma. Un gaz plasmagène est injecté autour de la cathode, traverse l'arc électrique généré par passage d'un courant continu entre les deux électrodes, et s'échappe sous forme de plasma par la tuyère anodique. Le gaz plasmagène peut être tous types de gaz et en particulier un gaz neutre, tel que de l'argon, de l'azote, de l'hélium ou encore un gaz choisi parmi H2, CO, CO2, H2Og et les mélanges de ceux-ci. Dans la cadre de l'invention, il peut être très avantageux de recycler une partie du gaz combustible obtenu à l'issue du procédé en tant que gaz plasmagène, ce qui permet d'éviter l'introduction de gaz différents du gaz de synthèse et des étapes de séparation subséquentes de façon à éliminer ces gaz différents du gaz de synthèse produit. Dans le réacteur représenté sur la figure 1, la torche à plasma est disposé, de manière à ce que l'écoulement ou le panache de plasma 13 soit globalement au centre de la zone définie par le milieu aqueux comprenant la matière à gazéifier 15. Une telle disposition de la torche permet de maintenir le réacteur et notamment l'enceinte de celui-ci à une température relativement faible. On évite ainsi les problèmes de corrosion rencontrés dans l'art antérieur dans des fours, dont les parois sont soumises à une température équivalente à celle nécessaire à la gazéification de la matière. La paroi inférieure 5 du réacteur comprend des moyens de soutirage 17 du milieu liquide comprenant la matière organique à gazéifier. Ces moyens de soutirage peuvent se présenter sous forme d'un conduit muni d'une vanne. Ces moyens de soutirage peuvent fonctionnent de manière continue ou discontinue. Ils peuvent remplir plusieurs fonctions: - ils permettent de purger le réacteur du milieu liquide; - ils permettent d'assurer la circulation de ce milieu liquide, et facilitent ainsi le maintien d'une température relativement faible dans les parties, qui ne sont pas en contact avec l'écoulement plasma, telles que les parois du réacteur. Sur sa paroi supérieure 9, le réacteur comporte des moyens d'amenée 19 du milieu aqueux comprenant la matière organique à gazéifier. Ces moyens d'amenée peuvent se présenter sous forme de conduits d'amenée. Enfin, la paroi supérieure 9 est pourvue de moyens d'extraction du gaz combustible produit 21, se présentant sous d'un conduit se prolongeant à l'intérieur du réacteur et étant immergé dans le milieu aqueux, l'extrémité immergée 22 du conduit étant située juste au-dessus du dard de l'écoulement plasma. Ces moyens d'extraction permettent d'acheminer les gaz produits, vers l'extérieur du réacteur de gazéification. Selon une variante représentée sur la figure 2, le réacteur est celui décrit ci-dessus, à l'exception des moyens de génération du plasma. On précise que les mêmes références ont été utilisées pour les éléments identiques à ceux du réacteur représenté sur la figure 1. Selon cette variante, les moyens de génération du plasma sont constitués par une paire d'électrodes 23 disposées face-à-face immergées dans le milieu aqueux comprenant la matière organique à gazéifier 15. Cette paire d'électrodes 23 est reliée à une source de courant continu ou alternatif non représentée sur la figure. Un dispositif de réglage non représenté sur cette figure, permet d'ajuster la longueur de l'arc électrique. Lorsque du courant circule à travers cette paire d'électrodes, un arc électrique se déclenche et par le biais de la température qu'il véhicule, provoque la formation d'un plasma à partir du milieu aqueux, qui constitue l'élément plasmagène. Les électrodes immergées peuvent être avantageusement mobiles, afin de répartir uniformément leur usure. La configuration face-à-face telle que mentionnée ci-dessus n'est pas l'unique possibilité. Pour ces deux modes de réalisation présentés ci-dessus, les températures atteintes dans le plasma immergé dans le liquide permettent les réactions de reformage des matières organiques carbonées en présence d'eau, lesquelles réactions de reformage se traduisent par la formation d'un gaz combustible comprenant essentiellement du monoxyde de carbone, du dihydrogène, et du dioxyde de carbone. Le fait que la réaction ait lieu dans un milieu aqueux circulant par le biais des moyens de soutirage 17 permet un refroidissement immédiat des gaz dès leur formation et d'éviter ainsi une réaction de reformation de sous- produits gênants tels que les dioxines. On précise que l'atmosphère des réacteurs peut être, lors du déroulement de la gazéification, maintenue sous pression, à savoir une pression pouvant aller jusqu'à quelques bars, et ce de manière à pouvoir se passer d'une pompe usuellement utilisé pour mettre en pression un volume de stockage tampon, en vue, par exemple, d'une utilisation directe du gaz produit dans un moteur à combustion interne. Les gaz formés s'échappent par les moyens 30 d'extraction 21. A la sortie du réacteur de gazéification ou des éventuels échangeurs de chaleur, les gaz combustibles produits peuvent être directement utilisés, selon les besoins, par un moteur à combustion interne, par une turbine ou encore par un brûleur. Ils peuvent être également stockés, en vue d'une utilisation ultérieure. L'invention va maintenant êtré décrite par rapport à un exemple de mise en oeuvre donné à titre illustratif et non limitatif. EXEMPLE Dans cet exemple, la matière organique est une solution aqueuse de glucose présentant une concentration de 200 g/litre simulant un résidu issu de la biomasse. Le réacteur de gazéification est un réacteur de forme cylindrique présentant un diamètre de 300 mm et une hauteur de 400 mm. Ce réacteur est muni à mi-hauteur d'un dispositif à électrodes de graphite disposées face-à-face et horizontalement. Ce dispositif est alimenté par un courant continu. Des moyens de réglage d'écartement des électrodes permettent d'ajuster la longueur de l'arc électrique. Au dessus de la zone d'établissement de l'arc est disposée un conduit permettant d'acheminer les gaz produits vers un système de prélèvement. Le réacteur est rempli de 10 litres de la solution de glucose susmentionnée. Le démarrage de l'arc s'opère par contact des deux électrodes, puis l'écartement permet de stabiliser les paramètres de tension et courant. Le générateur électrique utilisé permet une régulation du courant d'arc. Dans cet exemple, les électrodes ont été soumises à un courant présentant une tension de 35 volts et une intensité de 225 ampères. Le plasma d'arc immergé est d'une taille d'environ 5 mm. Il a été mesuré un débit de gaz produit de l'ordre de 600 litres/heure. Les gaz produits contiennent de l'hydrogène, du CO, de l'acétylène et également une petite quantité de CO2, d'oxygène. Ce mélange de gaz est parfaitement combustible à l'air. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'un gaz combustible à partir d'une matière organique, dans lequel l'on soumet ladite matière organique comprise dans un milieu comprenant de l'eau à un plasma thermique immergé dans ledit milieu. 2. Procédé de préparation d'un gaz 10 combustible selon la revendication 1, dans lequel la matière organique est de la biomasse. 3. Procédé de préparation d'un gaz combustible selon la revendication 1 ou 2, dans lequel 15 le plasma thermique est un plasma d'arc. 4. Procédé de préparation d'un gaz combustible selon la revendication 3, dans lequel le plasma d'arc est un plasma d'arc transféré entre au moins deux électrodes immergées dans le milieu. 5. Procédé de préparation de gaz combustible selon la revendication 3, dans lequel le plasma d'arc est un plasma d'arc soufflé. 6. Procédé de préparation de gaz combustible selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le plasma thermique est un plasma d'induction. 7. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le milieu comprenant de l'eau est un milieu circulant. 8. Procédé de préparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le plasma thermique est généré de sorte à ce que l'écoulement plasma soit situé globalement au centre de la zone définie par le milieu comprenant de l'eau.