Brevet FR3132235A1 — publié le 20230804

TITRE : Dispositif de traitement hydrothermal de composés organiques amélioré et procédé associé. L’invention concerne un procédé et un dispositif (DT) de traitement hydrothermal de composés organiques, le dispositif étant caractérisé en ce qu’il comporte : un réacteur (RO) d’oxydation avec des entrées (ERO1, ERO2) pour un gaz comburant et un gaz combustible et une entrée (ERO3) pour de l’eau en conditions supercritiques ainsi qu’une sortie (SRO) pour l’eau, un réacteur (R) de gazéification configuré pour fonctionner avec de l’eau dans en conditions supercritiques, le réacteur comportant une entrée (ER1) connectée à la sortie (SRO) du réacteur, une entrée (ER2) pour amener du mélange à traiter, contenant des composés organiques à valoriser, sous pression et une sortie (SR) pour un mélange traité comportant des gaz dissous issus des composés organiques ; un échangeur de chaleur (ECH) connecté à la sortie (SR) du réacteur (R), le mélange traité sortant du réacteur étant destiné à servir de source chaude à l’échangeur de chaleur, et connecté à la fois à une alimentation en eau sous pression et à ladite autre entrée (ERO3) du réacteur (RO) d’oxydation, cette eau sous pression étant ainsi destinée à être surchauffée dans l’échangeur de chaleur avant d’entrer dans le réacteur d’oxydation. Figure pour l’abrégé : Figure 1. Dispositif de traitement hydrothermal de composés organiques amélioré et procédé associé. Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à la valorisation des bio-ressources et plus particulièrement à la valorisation des ressources humides. Ces ressources humides (taux d’humidité > 50%) représentent en effet un potentiel énergétique important qu’il convient de ne pas négliger en regard des ressources sèches (taux d’humidité Ces ressources humides comportant une fraction importante d’eau (communément entre 50% et 90%), les procédés connus pour valoriser les ressources sèches ne sont pas nécessairement les mieux adaptés sur un plan énergétique. C’est pourquoi, pour ces ressources humides, des procédés dits hydrothermaux ont été proposés et font l’objet de constantes améliorations. Les procédés hydrothermaux consistent à convertir les composés organiques contenus dans la ressource humide (gaz, huiles ou liquides combustibles en fonction des cas). Dans ce type de procédé, l’eau en présence joue le rôle de milieu réactionnel et de réactif. En particulier, l’eau comportant les composés organiques à valoriser peut être mise sous conditions supercritiques (eau à une température supérieure à 374°C et pression supérieure à 22,1MPa). Dans ces conditions, les composés organiques sont hydrolysés et se gazéifient (transformation de la matière organique en gaz) On forme ainsi des gaz combustibles énergétiques (H 2 , CH 4, C 2 H 6 …) qui se trouvent dissous dans l’eau (sous forte pression). Il existe différentes façons de faire en sorte que l’eau soit en conditions supercritiques. Une solution existante consiste à employer un échangeur-réacteur. Celui-ci se présente généralement sous la forme d’une calandre traversée par un faisceau de tubes. Une chaudière est par exemple employée pour fournir de la chaleur (fluide caloporteur) à l’échangeur-réacteur, et plus précisément dans la calandre. L’eau contenant les composés organiques à valoriser (ressource humide) passe quant à elle dans les tubes. L’échange thermique entre l’environnement et les tubes permet alors de chauffer l’eau. L’inconvénient de ce type de solution est lié à la qualité du transfert de chaleur au travers de la paroi des tubes permettant de faire circuler le flux de ressource humide dans l’échangeur-réacteur. En effet, les vitesses d’écoulement généralement constatées dans les tubes ne favorisent pas un transfert maximal de la chaleur (régime laminaire) et de plus l’intérieur des tubes peut s’encrasser rapidement selon la nature de la ressource humide traitée. Une autre solution consiste à employer un réacteur (sans échangeur) configuré pour permettre une combustion en son sein. On pourra par exemple se référer au document EP 3 806 995. On contourne ainsi les difficultés rencontrées avec l’échangeur-réacteur. Plus précisément, un agent oxydant est injecté pour permettre la combustion d’une partie de la matière organique comprise dans l’eau ou des produits de réactions déjà formés par ailleurs. L’agent oxydant généralement utilisé est l’oxygène, lequel peut être apporté sous forme d’un flux de gaz pur, d’un flux d’air ou encore d’un flux de peroxyde d’hydrogène. La réaction de combustion ainsi générée apporte l’énergie nécessaire pour porter l’eau contenant les composés organiques à valoriser jusqu’en conditions supercritiques. L’inconvénient d’une telle solution est liée à la difficulté de piloter correctement le procédé pour atteindre les conditions de température visées. En effet, il est difficile de distinguer si ce sont les produits de réaction (gaz provenant de la gazéification des composés organiques présents dans l’eau à traiter), ou les composés organiques eux-mêmes, qui sont consommés par la réaction de combustion. Il n’est évidemment pas souhaitable que les produits de réaction (gaz) soient consommés majoritairement, au détriment de la matière organique injectée dans le réacteur (à valoriser), puisqu’ils sont la partie valorisable de ce type de procédé. Par ailleurs, la combustion de la matière organique injectée peut ne pas être optimale compte-tenu de la forme sous laquelle elle peut se présenter dans le procédé (particules de taille importante, agglomération avec de la matière inorganique) ou encore en raison de problématiques d’homogénéisation des flux ou de gestion des temps de séjour. Encore une autre solution consiste à préchauffer un flux d’eau pure dans un échangeur dédié (qui tire sa source chaude de gaz de combustion issus d’une chaudière) puis à mélanger ce flux d’eau pure dans un réacteur de gazéification avec le flux de ressource humide à gazéifier. L’eau pure est suffisamment préchauffée pour que la température du mélange avec la ressource humide soit compatible avec une gazéification optimale de la matière organique en présence. On pourra se référer à “Review of supercritical gasification with lignocellulosic real biomass as the feedstocks: process parameters, biomass composition, catalyst development, reactor design and its challenges” , Chai Siah Lee & al., Chemical Engineering Journal, vol. 415 (2021), 128837. Toutefois, pour assurer une bonne efficacité énergétique, le flux de ressource humide à traiter est aussi préchauffé, en l’occurrence par l’intermédiaire du flux d’eau sortant du réacteur de gazéification et au travers d’un échangeur de préchauffage. Cet échangeur de préchauffage peut être impacté par de fortes problématiques d’encrassement au regard de ses conditions de fonctionnement en termes de température et de la nature de la ressource humide traitée (présence d’éléments inorganiques qui précipitent ou génération d’huile très visqueuse agglomérées avec des particules charbonnées). Cet échangeur de préchauffage peut aussi nuire à l’efficacité du procédé global s’il vient à générer des composés organiques (particules charbonnées) plus difficiles à transformer en gaz dans l’étage dédié. Quel que soit le procédé envisagé, il convient enfin de noter que l’eau issue du procédé de gazéification contient encore, dans la majorité des cas, des espèces organiques en solution. Cela peut rendre impropre cette eau pour le rejet dans l’environnement et cela impact aussi le rendement énergétique du procédé puisque la totalité des composés organiques n’a donc pas été valorisé. Un objectif de l’invention est de proposer un dispositif de traitement hydrothermal de composés organiques amélioré. A cet effet, l’invention propose un dispositif de traitement hydrothermal de composés organiques, caractérisé en ce qu’il comporte : - un réacteur d’oxydation comportant : une première entrée pour un gaz comburant et une deuxième entrée pour un gaz combustible, le réacteur étant configuré pour mettre en œuvre une réaction de combustion ; une troisième entrée pour de l’eau en conditions supercritiques et une sortie pour cette eau, - un réacteur de gazéification configuré pour fonctionner avec de l’eau en conditions supercritiques, le réacteur comportant : une première entrée connectée à la sortie du réacteur d’oxydation, cette première entrée étant ainsi destinée à récupérer l’eau sortant du réacteur d’oxydation, une deuxième entrée pour alimenter le réacteur de gazéification avec un mélange à traiter, à savoir une eau chargée en composés organiques, sous pression, une sortie pour un mélange traité, comportant des gaz dissous issus des composés organiques ; - un échangeur de chaleur relié d’une part, à la sortie du réacteur de gazéification, le mélange traité sortant du réacteur étant destiné à servir de source chaude à l’échangeur de chaleur et d’autre part, à la fois à un circuit d’alimentation en eau sous pression et à la troisième entrée du réacteur d’oxydation, cette eau sous pression étant ainsi destinée à être surchauffée dans l’échangeur de chaleur avant d’alimenter le réacteur d’oxydation. Le dispositif selon l’invention pourra comprendre l’une au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - un circuit d’alimentation en mélange à traiter du réacteur de gazéification, ledit circuit comprenant un surpresseur pour mettre le mélange à traiter sous pression avant son entrée dans le réacteur de gazéification ; - le circuit d’alimentation en eau pour le réacteur d’oxydation comprend un surpresseur pour mettre sous pression l’eau d’alimentation ; - au moins une première cuve comportant une entrée connectée à l’échangeur de chaleur de sorte à pouvoir, en utilisation, récupérer le mélange traité, sous pression et refroidi sortant de l’échangeur de chaleur ; - la cuve comporte également une sortie agencée pour récupérer des gaz provenant du mélange traité, sous pression et refroidi, ladite sortie étant connectée à la deuxième entrée du réacteur d’oxydation pour fournir lesdits gaz en tant que gaz combustible pour le réacteur d’oxydation ; - une deuxième cuve connectée, par l’intermédiaire d’un détendeur, à une autre sortie de la première cuve, cette autre sortie étant agencée pour pouvoir récupérer une phase aqueuse présente dans cette première cuve ; - un moyen de soutirage connecté à une sortie de la deuxième cuve, ce moyen de soutirage étant par ailleurs connecté au circuit d’alimentation en eau sous pression pour le réacteur d’oxydation. Un autre objectif de l’invention est de proposer un procédé de traitement hydrothermal de composés organiques amélioré. A cet effet, l’invention propose un procédé de traitement hydrothermal de composés organiques, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : A) amener de l’eau à une température comprise entre 550°C et 650°C et à une pression comprise 270 et 300 bars dans un réacteur d’oxydation ; B) mettre en œuvre une réaction de combustion dans le réacteur d’oxydation afin de porter l’eau à une température comprise entre 900°C et 1000°C ; C) faire passer l’eau ainsi chauffée du réacteur d’oxydation vers un réacteur de gazéification, l’eau étant maintenue à une pression d’une part comprise entre 240 et 270 bars et d’autre part inférieure à la pression régnant dans le réacteur d’oxydation et concomitamment, alimenter ledit réacteur de gazéification avec un mélange à traiter, à savoir une eau chargée en composés organiques, sous pression; D) récupérer un mélange traité sortant du réacteur de gazéification, ce mélange comportant des gaz dissous, pour servir de source chaude à un échangeur de chaleur recevant par ailleurs de l’eau à la pression comprise entre 270 et 300 bars pour la surchauffer depuis la température ambiante à la température comprise entre 550°C et 650°C avant qu’elle n’entre dans le réacteur d’oxydation. Le procédé selon l’invention pourra comprendre l’une au moins des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - pendant l’étape C), le mélange à traiter est introduit à la température ambiante dans le réacteur à un débit d’entrée donné et l’eau passant du réacteur d’oxydation au réacteur de gazéification est introduite à un débit 3 à 4 fois supérieur au débit d’entrée donné du mélange à traiter ; - le procédé comprend une étape consistant à amener le mélange traité sortant de l’échangeur de chaleur dans une première cuve assurant une séparation de l’eau et de gaz qui y étaient dissous ; - le procédé comprend une étape consistant à alimenter le réacteur d’oxydation avec une partie des gaz présents dans la première cuve, lesdits gaz servant de combustible à la réaction de combustion ; - le procédé comprend en outre une série d’étape consistant successivement à prélever l’eau contenue dans la première cuve, puis détendre ladite eau ainsi prélevée jusqu’à la pression atmosphérique et enfin conduire l’eau ainsi obtenue dans une deuxième cuve assurant une séparation de ladite eau avec d’autres gaz, comme le dioxyde de carbone, qui y étaient encore dissous ; - le procédé comprend une étape consistant à prélever l’eau contenue dans la deuxième cuve pour la conduire dans un circuit d’alimentation en eau sou pression de l’échangeur de chaleur avant que cette eau n’entre dans le réacteur d’oxydation. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés et pour lesquels : La est une représentation d’un dispositif de traitement hydrothermal de composés organiques conforme à l’invention. Dispositif (DT) de traitement hydrothermal de composés organiques, caractérisé en ce qu’il comporte : un réacteur (RO) d’oxydation comportant : une première entrée (ERO1) pour un gaz comburant et une deuxième entrée (ERO2) pour un gaz combustible, le réacteur étant configuré pour mettre en œuvre une réaction de combustion ; une troisième entrée (ERO3) pour de l’eau en conditions supercritiques et une sortie (SRO) pour cette eau, un réacteur (R) de gazéification configuré pour fonctionner avec de l’eau en conditions supercritiques, le réacteur comportant : une première entrée (ER1) connectée à la sortie (SRO) du réacteur d’oxydation, cette première entrée (ER1) étant ainsi destinée à récupérer l’eau sortant du réacteur d’oxydation, une deuxième entrée (ER2) pour alimenter le réacteur de gazéification avec un mélange à traiter, à savoir une eau chargée en composés organiques, sous pression, et une sortie (SR) pour un mélange traité, comportant des gaz dissous issus des composés organiques ; un échangeur de chaleur (ECH) relié : d’une part, à la sortie (SR) du réacteur (R) de gazéification, le mélange traité sortant du réacteur étant destiné à servir de source chaude à l’échangeur de chaleur, d’autre part, à la fois à un circuit d’alimentation (CA2) en eau sous pression et à la troisième entrée (ERO3) du réacteur (RO) d’oxydation, cette eau sous pression étant ainsi destinée à être surchauffée dans l’échangeur de chaleur avant d’alimenter le réacteur d’oxydation. Dispositif (DT) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend un circuit d’alimentation (CA1) en mélange à traiter du réacteur (R) de gazéification, ledit circuit comprenant un surpresseur (SRP1) pour mettre le mélange à traiter sous pression avant son entrée dans le réacteur (R) de gazéification. Dispositif (DT) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation (CA2) en eau pour le réacteur (RO) d’oxydation comprend un surpresseur (SRP2) pour mettre sous pression l’eau d’alimentation. Dispositif (DT) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte une au moins une première cuve (PCU) comportant une entrée (ECU) connectée à l’échangeur de chaleur (ECH) de sorte à pouvoir, en utilisation, récupérer le mélange traité, sous pression et refroidi sortant de l’échangeur de chaleur. Dispositif (DT) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cuve (PCU) comporte également une sortie (SCU1) agencée pour récupérer des gaz provenant du mélange traité, sous pression et refroidi, ladite sortie (SCU1) étant connectée à la deuxième entrée (ERO2) du réacteur (RO) d’oxydation pour fournir lesdits gaz en tant que gaz combustible pour le réacteur (RO) d’oxydation. Dispositif (DT) selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu’il comprend une deuxième cuve (DCU) connectée, par l’intermédiaire d’un détendeur (D), à une autre sortie (SCU2) de la première cuve (PCU), cette autre sortie (SCU2) étant agencée pour pouvoir récupérer une phase aqueuse présente dans cette première cuve. Dispositif (DT) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un moyen de soutirage (MS) connecté à une sortie (SCU) de la deuxième cuve (DCU), ce moyen de soutirage (MS) étant par ailleurs connecté au circuit d’alimentation (CA2) en eau sous pression pour le réacteur (RO) d’oxydation. Procédé de traitement hydrothermal de composés organiques, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : A) amener de l’eau à une température comprise entre 550°C et 650°C et à une pression comprise 270 et 300 bars dans un réacteur (RO) d’oxydation ; B) mettre en œuvre une réaction de combustion dans le réacteur (RO) d’oxydation afin de porter l’eau à une température comprise entre 900°C et 1000°C ; C) faire passer l’eau ainsi chauffée du réacteur (RO) d’oxydation vers un réacteur (R) de gazéification, l’eau étant maintenue à une pression d’une part comprise entre 240 et 270 bars et d’autre part inférieure à la pression régnant dans le réacteur (RO) d’oxydation et concomitamment, alimenter ledit réacteur de gazéification avec un mélange à traiter, à savoir une eau chargée en composés organiques, sous pression; et D) récupérer un mélange traité sortant du réacteur de gazéification, ce mélange comportant des gaz dissous, pour servir de source chaude à un échangeur de chaleur recevant par ailleurs de l’eau à la pression comprise entre 270 et 300 bars pour la surchauffer depuis la température ambiante à la température comprise entre 550°C et 650°C avant qu’elle n’entre dans le réacteur d’oxydation. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, pendant l’étape C), le mélange à traiter est introduit à la température ambiante dans le réacteur (R) à un débit d’entrée donné et l’eau passant du réacteur (RO) d’oxydation au réacteur (R) de gazéification est introduite à un débit 3 à 4 fois supérieur au débit d’entrée donné du mélange à traiter. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à amener le mélange traité sortant de l’échangeur de chaleur dans une première cuve (PCU) assurant une séparation de l’eau et de gaz qui y étaient dissous. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à alimenter le réacteur (RO) d’oxydation avec une partie des gaz présents dans la première cuve (PCU), lesdits gaz servant de combustible à la réaction de combustion. Procédé selon l’une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une série d’étape consistant successivement à prélever l’eau contenue dans la première cuve (PCU), puis détendre ladite eau ainsi prélevée jusqu’à la pression atmosphérique et enfin conduire l’eau ainsi obtenue dans une deuxième cuve (DCU) assurant une séparation de ladite eau avec d’autres gaz, comme le dioxyde de carbone, qui y étaient encore dissous. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une étape consistant à prélever l’eau contenue dans la deuxième cuve pour la conduire dans un circuit d’alimentation en eau sou pression de l’échangeur de chaleur (ECH) avant que cette eau n’entre dans le réacteur d’oxydation (RO).