Brevet FR3044238A1 — publié le 20170602

- 1 - Domaine de l'invention La présente invention appartient au domaine de la production d'énergie par un procédé de combustion ou 5 gazéification. L'invention concerne notamment un dispositif d'épuration des fumées et des gaz obtenus par le procédé. L'invention concerne également le procédé d'épuration des fumées et des gaz utilisant ledit dispositif. 10 Etat de la technique Selon l'état de la technique actuel des technologies, les fumées et les gaz contiennent des composants dommageables pour la durée de vie des équipements et leur 15 bonne marche industrielle. Par exemple, si la matière première utilisée contient du chlore, des condensations d'acide chlorhydrique peuvent advenir, ce qui corrode les matériaux des installations. Il peut aussi arriver que la matière première 20 contienne des taux significatifs de potassium qui génèrent, selon leur température, des dépôts collants sur les surfaces de certains échangeurs de chaleur présents dans les installations. L'encrassement ainsi généré réduit la performance des échangeurs et impose un nettoyage régulier, 25 notamment par injection de vapeur ou par une intervention manuelle coûteuse et impliquant l'arrêt prolongé de l'installation. De plus, ces composants doivent être filtrés des gaz renvoyés dans l'atmosphère. Ceci est obtenu, par exemple, 30 en utilisant des filtres à manches ou des lavages de gaz, mais cela ne peut être effectué qu'après refroidissement des gaz qui doivent idéalement avoir une température inférieure à 250°C, si l'on souhaite utiliser, par exemple, 3044238 - 2 - des filtres à manches en PTFE et à 100°C pour utiliser un lavage à l'eau. Description de l'invention La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif d'épuration des gaz qui permet de procéder à une distillation étagée des vapeurs condensables indésirables. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif d'épuration de gaz obtenus par les procédés de combustion ou de pyro-gazéification, comprenant au moins un premier moyen de séparation des condensats, associé à un premier moyen d'échange d'énergie calorique comprenant une double paroi encadrant ledit premier moyen de séparation des condensats, en amont d'un second moyen d'échange d'énergie calorique, remarquable en ce que ledit premier moyen de séparation des condensats comprend une entrée dite alimentation de gaz à épurer, une première sortie dite sortie de condensats et une deuxième sortie dite sortie de gaz épuré, ladite sortie de gaz épuré étant connectée audit second moyen d'échange calorique qui comprend également une sortie dite sortie des gaz refroidis connectée à l'entrée de la double paroi dudit premier moyen d'échange d'énergie calorique. Dans le cadre de la présente invention, le terme « connecté » entend signifier qu'il existe un passage d'un fluide entre les éléments connectés entre eux. Ladite connexion peut être notamment réalisée via une canalisation. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre un moyen de chauffage de gaz en amont dudit premier moyen d'échange calorique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le moyen de séparation des condensats est un cyclone ou un 3044238 - 3 - décanteur lamellaire. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit dispositif comprend en outre un deuxième moyen de séparation des condensats associé à un troisième moyen 5 d'échange d'énergie calorique comprenant une double paroi encadrant ledit deuxième moyen de séparation des condensats, en amont dudit premier moyen de séparation des condensats. Ledit dispositif est tel, d'une part, que ledit deuxième moyen de séparation des condensats comprend une 10 entrée dite alimentation de gaz à épurer, une première sortie dite sortie de condensats et une deuxième sortie dite sortie de gaz épuré, ladite sortie de gaz épuré étant connectée audit premier moyen de séparations des condensats au niveau de l'entrée de gaz à épurer de ce dernier et, 15 d'autre part, que la sortie de la double paroi dudit premier moyen d'échange d'énergie calorique est connectée à l'entrée de la double paroi dudit troisième moyen d'échange d'énergie calorique. Selon un mode de réalisation de l'invention, la 20 double paroi peut également être connectée à une autre source de fluide caloporteur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la sortie de la double paroi dudit troisième moyen d'échange d'énergie calorique est connectée à l'entrée de 25 gaz à épurer du deuxième moyen de séparation des condensats via un mélangeur. Toujours dans le cadre de la présente invention, le terme « mélangeur » entend signifier qu'il existe un moyen assurant un regroupement de deux fluides séparés venant de 30 l'amont et qu'ils sont ensuite évacués vers l'aval dans une canalisation d'évacuation. Ce mélangeur peut être une tuyauterie en forme de Y, c'est-à-dire comprenant deux branches séparées qui convergent vers une même troisième branche, ou bien une vanne trois voies, c'est-à-dire une 3044238 - 4 - disposition en Y mais dont le ratio de mélange de débit entre les deux fluides séparés à regrouper est ajusté par l'action sur la vanne, ou bien encore tout autre moyen permettant de regrouper deux fluides différents et de les 5 évacuer ensemble vers l'aval dans une canalisation. La présente invention concerne également, un procédé d'épuration de gaz obtenu par les procédés de combustion ou de pyro-gazéification, comprenant une étape de condensation du gaz à épurer, remarquable en ce que l'étape de 10 condensation comprend une étape de refroidissement du gaz à épurer par échange thermique entre le gaz à épurer et tout ou partie du gaz épuré. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit procédé comprend une étape consistant à refroidir 15 ledit gaz à épurer en-dessous du point de condensation d'un premier contaminant, suivie d'une étape consistant à séparer la phase gazeuse, dite de gaz épuré, d'avec la phase liquide obtenue après condensation, suivie d'une étape supplémentaire de refroidissement du gaz épuré, issu 20 de l'étape précédente. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ladite étape de refroidissement de gaz épuré consiste à refroidir ledit gaz épuré en-dessous du point de condensation d'un deuxième contaminant et à séparer la 25 phase gazeuse refroidie de la phase liquide obtenue. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit procédé comprend une étape préalable consistant à chauffer le gaz à épurer. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, 30 tout ou partie du gaz épuré ayant servi lors de l'étape de refroidissement est ensuite retraité en mélange avec le gaz à épurer. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé met en oeuvre un dispositif selon l'invention. 3044238 - 5 - Avantages de l'invention L'avantage de l'invention est de permettre d'obtenir des gaz épurés et inoffensifs pour les équipements du 5 procédé. Notamment les risques de condensation incontrôlée, de corrosion, d'encrassement et d'érosion sont grandement réduits. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée suivante des modes 10 de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente un graphique de températures de fusion et vaporisation de composants indésirables. - la figure 2 représente le schéma de principe d'une 15 variante de l'invention, selon lequel le gaz à épurer subit des refroidissements étagés. - la figure 3 représente une variante de l'invention impliquant des moyens de refroidissement et des moyens d'épuration cyclonique. 20 - la figure 4 représente une variante de l'invention impliquant des moyens d'épuration cyclonique à deux étages. Exposé d'un mode de réalisation La présente invention concerne un dispositif 25 d'épuration des gaz obtenus par les procédés de combustion ou de pyro-gazéification. Les éléments indésirables ciblés sont notamment ceux qui sont sujets à un changement de phase durant le procédé. Ce changement peut être involontaire et est alors le plus souvent une source de 30 perturbation du procédé industriel, ou volontaire tel que prévu selon l'invention afin d'améliorer l'épuration. Par exemple, une matière première, du type déchets de plastique contenant notamment du polychlorure de vinyle, qui contient du chlore, cause la présence de vapeur d'acide 3044238 - 6 - chlorhydrique et de vapeur d'eau dans les gaz. Si la température des parois de certains échangeurs descend en-dessous de la température de rosée de la vapeur d'eau, de l'eau chargée d'acide chlorhydrique est déposée sur les 5 tuyauteries qui subissent alors une corrosion rapide. Par un autre exemple, si la matière première est de la rafle de maïs et qu'elle est soumise à une combustion, les cendres obtenues, notamment par la présence de potassium, ont typiquement une température de fusion de 10 850°C environ et une température de contraction de 600°C environ. Les particules de cendres qui s'envolent et se déposent sur les parois des échangeurs forment une couche de cendres collantes qui altère la conductivité thermique et réduit la section de passage des gaz. 15 L'invention est basée sur la mise en oeuvre d'un cycle complet de vaporisation et de condensation spécifiques des éléments indésirables contenus dans les gaz à épurer, sachant que la vaporisation initiale est à priori effectuée par un procédé amont tel qu'une combustion ou une pyro- 20 gazéification qui génère des gaz à très haute température, qu'il s'agit d'épurer. Si ce n'est pas le cas, un préchauffage peut être appliqué afin de garantir que les éléments indésirables sont à la température idéale. Comme indiqué sur la figure 1, une analyse préalable 25 des gaz permet de détecter les différentes températures de fusion et de vaporisation des composants. Selon l'exemple représenté, on constate que : - le composé A a une température de fusion de 400°C et une température de vaporisation de 600°C. 30 - le composé B a une température de fusion de 600°C et une température de vaporisation de 800°C. - le composé C a une température de fusion de 1400°C et une température de vaporisation bien supérieure. Sur la base de la composition des gaz indiquée en 3044238 - 7 - figure 1, l'invention permet d'évacuer les composés A et B en utilisant le principe de chauffe et refroidissement étagés comme illustré en figure 2 : - en première étape, le gaz initial, qui a une 5 température de 300°C, est chauffé au-delà de la température de vaporisation du composant B, soit 900°C par exemple. Cette première étape est facultative, si le gaz initial issu du procédé amont a déjà une température de 900°C. - en deuxième étape, le gaz est refroidi en-dessous 10 de la température de vaporisation du composant B, mais reste au-dessus de la température de vaporisation du composant A, soit 700°C par exemple. Cette étape cause une condensation du composant B qu'il s'agit de séparer du flux de gaz. 15 - en troisième étape, le gaz est à nouveau refroidi en-dessous de la température de vaporisation du composant A, par exemple 500°C. Cette étape cause alors une condensation du composant A qu'il s'agit de séparer du flux de gaz. 20 - en quatrième étape, le gaz est refroidi à sa température initiale, soit 300°C dans l'exemple. Les condensats A et B sont liquides lors de leur condensation, aussi il est avantageux de les évacuer du dispositif sous forme liquide puis de les refroidir 25 séparément, afin de permettre leur mise en décharge ou valorisation ultérieure. Concrètement, selon un mode de réalisation tel que représenté en figure 3, le dispositif d'épuration 1 comprend un moyen de chauffe 2 afin d'augmenter la 30 température du gaz à traiter à 900°C. Ce moyen peut être un brûleur à gaz dans le cas de l'épuration de fumées de combustion, ou une torche alimentée à l'oxygène dans le cas de l'épuration d'un gaz synthétique qui participe à la création de chaleur dans la torche. 3044238 - 8 - Puis le gaz préchauffé 31 alimente un cyclone 3 à double paroi. La double paroi 36 est étanche et est alimentée par un gaz plus froid 34 venant de l'aval et permet de refroidir le gaz entrant 31 dans la partie 5 centrale du cyclone. Ce gaz entrant 31 est donc refroidi à la température du palier B, soit 700°C dans l'exemple. Ceci cause la condensation du composant B qui, grâce à la force centrifuge appliquée au gaz, se dépose alors sur les parois du cyclone et/ou qui migre vers la sortie basse 33 de petit 10 diamètre du cyclone, communément appelée refus du cyclone. Puis, le gaz épuré sort par la sortie haute 32 de grand diamètre de ce cyclone, communément appelée accepté du cyclone, et peut être évacué ainsi en tant que gaz final épuré. 15 Selon une variante avantageuse de l'invention, un second étage est appliqué : le gaz épuré 32 par le premier cyclone 3 alimente un second cyclone 4 aussi équipé d'une double paroi 46, aussi refroidi par un gaz 44 venant de l'aval : ce gaz entrant 41 est donc refroidi à la 20 température du palier A, soit 500°C. Ceci cause la condensation du composant A qui, grâce à la force centrifuge appliquée au gaz, se dépose alors sur les parois du cyclone et/ou migre vers les refus 43. L'évacuation des refus 43 est alors possible par tout moyen de gestion des 25 refus sans fuite de gaz comme, par exemple, un sas à deux vannes 37 ou un sas à écluses. Selon une variante de l'invention, la double paroi 36,46 respective du cyclone 3,4 est enveloppée d'un matériau calorifuge comme de la laine de roche, afin de 30 garantir une déperdition thermique négligeable par les parois de l'équipement. Selon une autre variante de l'invention, le débit et la température de gaz qui circule dans la double paroi 36,46 sont régulés de façon à garantir que le gradient de 3044238 - 9 - température qui s'applique à l'intérieur du cyclone 3,4 est stable et efficace pour refroidir le gaz à épurer dans la bonne plage de température. Avantageusement, le bilan économique de cette 5 opération de chauffe puis refroidissement doit se faire avec un bilan le moins coûteux en énergie. A cette fin, le gaz chaud après épuration 42 est refroidi par un moyen auxiliaire 5 d'échange de chaleur à une température de 300°C et en ressort sous forme de gaz traité refroidi 52, 10 ce qui lui permet de pouvoir alimenter un filtre à manches ou tout autre équipement qui ne peut pas fonctionner au-delà de 350°C. Selon une variante de l'invention, ce moyen auxiliaire 5 est un échangeur à plaques alimenté par un 15 fluide caloporteur 53 qui en ressort comme fluide caloporteur réchauffé 54. Ce fluide est alors utilisé par tout procédé adapté permettant de valoriser cette énergie. Après refroidissement à 300°C, une partie du débit de gaz traité 52 est recirculée en amont comme gaz 44 et 20 alimente la double paroi 46 du second cyclone 4, le moins chaud, afin de permettre son refroidissement et la condensation du composant A. Puis, ce gaz 41 quitte la double paroi du second cyclone et alimente ensuite, comme gaz 34, la double paroi 36 du premier cyclone 3, le plus 25 chaud, afin de permettre aussi son refroidissement et la condensation du composant A. Enfin, ce gaz 35 est recirculé à l'entrée du dispositif par un moyen de mélange 6, afin de participer à la montée en température du gaz initial, lui permettant, par exemple, de monter de 300°C à 500°C. 30 Ainsi, le bilan énergétique global est très favorable grâce à la logique de contre-courant de flux chaud appliqué à l'invention. Selon une variante de l'invention, le refroidissement par la double paroi peut être assuré par un fluide 3044238 - 10 - caloporteur seul ou en mélange avec une partie du gaz épuré refroidi 52. Par exemple, ce fluide peut être de l'air prélevé à l'atmosphère, introduit dans le ou les moyens en double paroi afin de permettre la condensation et ensuite, 5 ainsi réchauffé, introduit dans le moyen de chauffe 2 pour participer à la combustion de syngaz. Ce fluide peut aussi être un fluide caloporteur tel un fluide frigorigène. Selon l'invention, les composants A et B condensés sont évacués de leur moyen de cyclonage respectif sous 10 forme liquide dont l'écoulement vers le bas du cyclone se fait naturellement. Afin de garantir cet écoulement, notamment face au risque d'un refroidissement local dont les conséquences seraient une augmentation de la viscosité des liquides et un ralentissement de l'écoulement voire son 15 arrêt, il est avantageux de disposer dans les parois des cyclones des moyens de régulation de température, par exemple, par le biais d'un système de chauffage électrique, ou d'un réseau de fluide caloporteur. Ces moyens permettent de veiller à ce que la température des composants A et B 20 reste stable dans une plage de bon écoulement des liquides. Selon une variante, il est avantageux d'ajouter un élément fondant dans les fumées ou gaz à traiter, qui va être centrifugé dans les cyclones et dont la plage de viscosité selon la température est compatible avec la 25 température régnant sur la paroi des cyclones. Par exemple l'utilisation de carbonate de calcium, oxyde de sodium ou de potassium permet de garantir que les composants restent liquides jusqu'à leur évacuation en bas de cyclone. Selon une variante de l'invention, le régime de 30 température appliqué peut être adapté à la condensation de vapeur d'eau contenue dans des fumées de combustion, selon un principe similaire. Par exemple, une fumée à 200°C contenant 100g d'eau par kg de fumée peut être refroidie à 50°C, puis éventuellement 20°C en second étage, afin de 3044238 permettre de récupérer jusqu'à 80g d'eau par kg de fumée. Avantageusement, la condensation est aussi un moyen de récupérer de l'énergie disponible sous forme de chaleur latente. Les composants A ou B ou de l'eau vaporisée ont la 5 capacité de restituer leur enthalpie de vaporisation lors de la condensation, ce qui est un avantage énergétique. Selon une variante de l'invention, comme indiqué en figure 4, le refus du premier cyclone 3, qui génère la condensation, est connecté à l'entrée d'un cyclone 10 secondaire 8. Ainsi, un débit de refus du premier cyclone 3 peut être mis en place, ce qui permet d'améliorer son efficacité, et le cyclone secondaire 8 assure la collecte et l'évacuation des condensats. Le gaz refusé par le premier cyclone 3 et accepté par son cyclone secondaire 8 15 est avantageusement réintroduit en amont dans le procédé, par exemple, à l'aide d'un moyen de mélange 7, de façon à ne pas perdre ces gaz. Selon une autre variante de l'invention, le second cyclone 4 est lui aussi équipé d'un cyclone secondaire 9 20 qui fonctionne de la même façon. Selon une variante de l'invention, les cyclones peuvent être remplacés totalement ou partiellement par des décanteurs lamellaires dont la fonction est de favoriser la sédimentation des particules condensées présentes dans le 25 gaz. L'invention concerne également un procédé d'épuration de gaz utilisant les dispositifs ou les configurations décrits ci-dessus. REVENDICATIONS1- Dispositif (1) d'épuration de gaz obtenu par les procédés de combustion ou de pyro-gazéification, comprenant au moins un premier moyen de séparation des condensats (4), associé à un premier moyen d'échange d'énergie calorique (46) comprenant une double paroi encadrant ledit premier moyen de séparation des condensats (4), en amont d'un second moyen d'échange d'énergie calorique (5), caractérisé en ce que ledit premier moyen de séparation des condensats (4) comprend une entrée (41) dite alimentation de gaz à épurer, une première sortie dite sortie de condensats (43) et une deuxième sortie dite sortie de gaz épuré (42), ladite sortie de gaz épuré (42) étant connectée audit second moyen d'échange calorique (5) qui comprend également une sortie dite sortie des gaz refroidis (52) connectée à l'entrée (44) de la double paroi dudit premier moyen d'échange d'énergie calorique (46). 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce qu'il comprend en outre un moyen de chauffage de gaz (2) en amont dudit premier moyen d'échange calorique (46). 3- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de séparation 25 des condensats (4) est un cyclone ou un décanteur lamellaire. 4- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un 30 deuxième moyen de séparation (3) des condensats associé à un troisième moyen d'échange d'énergie calorique (36) comprenant une double paroi encadrant ledit deuxième moyen de séparation des condensats (3), en amont dudit premier 3044238 - 13 - moyen de séparation des condensats (4), et en ce que ledit deuxième moyen de séparation des condensats (3) comprend une entrée (31) dite alimentation de gaz à épurer, une première sortie dite sortie de condensats (33) et une 5 deuxième sortie dite sortie de gaz épuré (32), ladite sortie de gaz épuré (32) étant connectée audit premier moyen de séparation des condensats (4) au niveau de l'entrée de gaz à épurer (41) de ce dernier et en ce que la sortie (45) de la double paroi dudit premier moyen 10 d'échange d'énergie calorique (36) est connectée à l'entrée (34) de la double paroi dudit troisième moyen d'échange d'énergie calorique (46). 5- Dispositif selon la revendication précédente, 15 caractérisé en ce que la sortie (35) de la double paroi dudit troisième moyen d'échange d'énergie calorique (46) est connectée à l'entrée de gaz à épurer (31) du deuxième moyen de séparation des condensats (3) via un mélangeur (6). 6- Procédé d'épuration de gaz obtenu par les procédés de combustion ou de pyro-gazéification, comprenant une étape de condensation du gaz à épurer, caractérisé en ce que l'étape de condensation comprend une étape de refroidissement du gaz à épurer par échange thermique entre le gaz à épurer et tout ou partie du gaz épuré. 7- Procédé d'épuration de gaz selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à refroidir ledit gaz à épurer en-dessous du point de condensation d'un premier contaminant, suivie d'une étape consistant à séparer la phase gazeuse, dite de gaz épuré, d'avec la phase liquide obtenue après condensation, suivie d'une étape supplémentaire de 3044238 - 14 - refroidissement du gaz épuré, issu de l'étape précédente. 8- Procédé d'épuration de gaz, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite étape de 5 refroidissement de gaz épuré consiste à refroidir ledit gaz épuré en dessous du point de condensation d'un deuxième contaminant et à séparer la phase gazeuse refroidie de la phase liquide obtenue. 10 9- Procédé d'épuration de gaz, selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable consistant à chauffer le gaz à épurer. 10- Procédé d'épuration de gaz, selon l'une des 15 revendications 6 à 9, caractérisé en ce que tout ou partie du gaz épuré ayant servi lors de l'étape de refroidissement est ensuite retraité en mélange avec le gaz à épurer. 11- Procédé d'épuration de gaz selon l'une des 20 revendications 6 à 10, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif selon l'une des revendications 1 à 5.