Brevet FR2937334A1 — publié le 20100423

DISPOSITIF D'EXTRACTION DE CO2 DE L'ATMOSPHERE 1- Etat de l'Art L'augmentation continue des teneurs en dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère depuis 1860, qui a désormais tendance à s'accélérer, de par les émissions des installations industrielles de production d'électricité à base de combustibles fossiles, conduit à un réchauffement climatique de 2 degrés minimum qu'il s'agit de limiter en divisant les émissions de CO2 par un facteur 4 pour ne pas dépasser 550 ppm de CO2 à l'horizon 2100 . Il est connu de capturer le CO2 en provenance d'installations industrielles de production d'électricité à base de combustibles fossiles que ce soit par • post capture à l'aide de solvants • procédés de givrage dégivrage • oxycombustion • cycle thermochimique de production de CO2 pur à partir de substances carbonées par circulation d'oxydes alternativement oxydés et recyclés entre deux réacteurs à lit fluidisé remonte aux années 1950 et est ensuite appliquée à différents concepts • prédécarbonisation. Il est connu de gazéifier par pyrolyse flash des biomasses introduites dans 2 lits fluidisés interconnectés dont l'un assure la pyrolyse et l'autre assure la combustion à l'air du résidu carboné. 2- Problème posé25 Le problème posé est de pouvoir extraire sélectivement le CO2 de l'air de l'atmosphère. 3- Objet de l'invention L'innovation proposée est d'utiliser un vecteur intermédiaire de stockage de CO2 que constitue la biomasse . Cette biomasse d'origine agricole, forestière, stocke le CO2 par photosynthèse sur des périodes comprises entre 1 et 100 ans. Cette biomasse étant très réactive avec plus de 70 % de matières volatiles sur sec et environ 50 % d'humidité sur brut, il faut prendre avantage de ces caractéristiques pour convertir cette biomasse en énergie et carburants tout en capturant le CO2 émis avec une technologie simplifiée et compacte. Le CO2 qui est capté pourra être stocké pendant plusieurs centaines d'années dans le sous sol, par exemple dans des aquifères sous marins. On réalise par cette approche une extraction de CO2 de l'air atmosphérique en utilisant un vecteur intermédiaire de stockage de CO2 que constitue la biomasse. En prenant avantage de la grande porosité et réactivité du résidu carboné de biomasse après départ de l'humidité et des matières volatiles, la technique simplifiée de conversion peut être préférentiellement celle d'un cycle thermochimique haute température dans lequel circule des oxydes métalliques naturels ou synthétiques qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour la combustion ou gazéification. Pour rendre le système le plus compact possible, il est proposé d'effectuer le séchage de cette biomasse en utilisant la chaleur résiduelle disponible sur certains des effluents gazeux et par ailleurs d'intégrer une étape de pyrolyse flash qui va permettre de libérer les matières volatiles contenus dans la biomasse. Sachant que le résidu carboné à convertir pourrait ne représenter que 15 % de la fraction de combustible entrant, le volume d'effluents gazeux, hors gaz de pyrolyse, se réduit à 15 % des fumées d'une combustion à l'air. Or c'est ce débit d'effluents gazeux qui conditionne la taille des équipements d'un cycle thermochimique. La compacité de ce dispositif d'extraction de CO2 est donc extrêmement élevée, ce qui réduit les coûts d'investissements et permet à un opérateur de se dispenser d'acheter les quotas CO2, correspondant au cas d'emploi de combustibles fossiles. Il faut souligner que la biomasse est ici séparée en ses fractions constituantes et permet, tout en capturant le CO2, de produire de l'énergie sous forme de vapeur haute pression et du gaz de synthèse dont la composition peut être ajustée après réformage pour fabriquer des carburants synthétiques du type méthanol ou du Di Méthyl Ether. L'autre avantage procuré par le fait de décomposer en trois étapes ce traitement de biomasse est de minimiser l'apport d'oxygène à apporter pour la conversion du résidu solide carboné final. Il est possible en alternative du cycle thermochimique d'utiliser une technique d'oxydation partielle ou d'oxycombustion par utilisation d'oxygène venant d'une unité de séparation d'air cryogénique ou à haute température. Ce procédé est également applicable à des combustibles fossiles réactifs comme les lignites à forte humidité et teneur en matières volatiles et les charbons de haut rang à forte teneur en matières volatiles dont les réserves mondiales sont considérables, pour produire de I' énergie et des carburants avec capture CO2 , mais dans ce cas le bilan CO2 est neutre et non pas négatif comme dans le cas de biomasses. 4- Description Le système comporte trois composants principaux interconnectés décrits ci-dessous : • Un réacteur de séchage (1) • Un réacteur de pyrolyse flash (2) •Un convertisseur thermochimique (3) La biomasse introduite (4) dont la teneur en humidité est de 40 à 55 %, est finement divisée par déchiquetage en copeaux type papeterie et en sciure puis introduite dans un réacteur (1) de séchage , par exemple en lit mobile aéré à courant descendant , de forme évasée et muni de dévoûteurs ou dans une série d'échangeurs cyclones à passage direct ( brevet B53 ) Les gaz (5) admis dans ce réacteur (1) de séchage sont à une température de 400 / 600 °C. La biomasse une fois séchée à environ 10 à 15 0/0 d'humidité résiduelle est transférée par vis et chute gravitaire avec sas vers un réacteur de pyrolyse flash (2) en lit fluidisé alimenté en solides chauds provenant de la boucle thermochimique (3) fonctionnant à 700 à 1000°C dépendant des oxydes utilisés. La libération des matières volatiles et de l'humidité résiduelle contenues dans la biomasse introduite est immédiate et constitue la sortie (6) gaz de pyrolyse du procédé. Cette composition gazeuse peut être ajustée par réformage à 1200 à 1400°C pour convertir les goudrons et le méthane puis une étape de CO shift pour arriver à une boucle de synthèse de fabrication de carburants synthétiques du type méthanol ou du di Méthyl Ether. Le résidu carboné restant après pyrolyse, mélangé au matériau de lit en circulation, est transféré (7) vers le fuel convertisseur(8), alimenté en vapeur d'eau et CO2 (9) comme pour une gazéification autothermique classique. Le résidu convertisseur carboné est converti progressivement dans la boucle circulante du fuel convertisseur jusqu'à disparition du carbone et les cendres résiduelles s'échappent par le cyclone et par un soutirage de lit en bas de fuel convertisseur. Le matériau de lit de ce fuel convertisseur (8) est celui du cycle thermochimique (3) dans lequel circule des oxydes métalliques naturels ou synthétiques qui sont alternativement oxydés et réduits et qui assurent l'apport d'oxygène pour la combustion ou gazéification, auquel se superpose le matériau de lit contenant le résidu carboné. Le CO2 issu de la conversion du résidu carboné sort du réacteur (8) pour refroidissement, dépoussiérage, condensation de l'eau des fumées et compression pour transport. L'oxydation très rapide du matériau de lit est assuré par une fluidisation à l'air ou à l'air enrichi dans un réacteur annexe (9) ou préférentiellement une chambre d'oxydation aménagée dans le fuel convertisseur (8) comportant des sas gaz. Le flux gazeux (10) évacué de cette chambre d'oxydation est essentiellement de l'air appauvri en oxygène. Ce flux gazeux d'air appauvri en oxygène est particulièrement bien adapté au séchage de biomasse hautement réactive sans risque d'allumage et est utilisé préférentiellement pour le séchage de la biomasse (5) car il représente plus de 70 % du débit de fumées de l'installation. 5 ù Eléments de l'invention Dispositif d'extraction de CO2 de l'atmosphère caractérisé par l'utilisation de biomasses dans un convertisseur thermochimique avec capture CO2 pour produire de l'énergie et des carburants convertisseur thermochimique avec capture CO2 comportant 3 étapes successives de séchage, de production de gaz de pyrolyse et conversion thermochimique du résidu carboné pour production de vapeur avec capture CO2 convertisseur thermochimique avec capture CO2 utilisant un cycle thermochimique dont les solides chauds en circulation assurent la pyrolyse flash , la conversion du résidu carboné et le transfert du résidu convertisseur thermochimique avec capture CO2 utilisant l'air et la vapeur d'eau / CO2 pour oxyder et réduire les oxydes métalliques convertisseur thermochimique avec capture CO2 dont les fumées en air appauvri assurent le séchage des biomasses convertisseur thermochimique avec capture CO2 dont le réacteur de séchage est un lit mobile aéré à co-courant descendant, de forme évasée et muni de dévoûteurs convertisseur thermochimique avec capture CO2 dont le réacteur de séchage est une série d'échangeurs cyclone à passage direct interconnectés convertisseur thermochimique avec capture CO2 comportant une chambre d'oxydation aménagée dans le fuel convertisseur comportant des sas gaz convertisseur thermochimique avec capture CO2 comportant une amenée d'oxygène gazeux provenant d'une unité de séparation d'air pour effectuer une oxydation partielle ou une oxycombustion. convertisseur thermochimique avec capture CO2 comportant une oxydation du matériau de lit par une fluidisation à l'air ou à l'air enrichi convertisseur thermochimique avec capture CO2 utilisant des combustibles fossiles réactifs comme les lignites à forte humidité et teneur en matières volatiles et les charbons de haut rang à forte teneur en matières volatiles. 25 REVENDICATIONS1. Procédé d'extraction de CO2 de l'atmosphère caractérisé par l'utilisation de biomasses dans un convertisseur thermochimique avec capture du CO2 5 pour produire de l'énergie et / ou des carburants.