Brevet FR3126993A1 — publié le 20230317

Dispositif et procédé de conversion d’une charge comprenant des composés hydrocarbonés riches en oxygène, dans lesquels : une unité de combustion en boucle chimique (10) traite une charge hydrocarbonée (1) présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, et produit un effluent de combustion en boucle chimique (2) comprenant au moins du CO2 et du H2O ; une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20) traite l’effluent de combustion en boucle chimique (2) et produit un gaz de RWGS (4) enrichi en CO et en eau ; et une section réactionnelle de fermentation (30) traite le gaz de RWGS (4) et produit un effluent de fermentation (6) enrichi en éthanol. Figure 1 à publier Production d'éthanol par combustion en boucle chimique, conversion de gaz à l'eau inversée, et fermentation. L’invention porte sur la production d'éthanol. Plus particulièrement, l’objet de l’invention est de pouvoir produire de l'éthanol par un procédé de combustion en boucle chimique (ou « CLC » ou « chemical looping combustion » selon la terminologie anglo-saxonne) de composés hydrocarbonés riches en oxygène tels que de la biomasse. Les procédés de combustion en boucle chimique de composés hydrocarbonés riches en oxygène produisent un mélange de CO2 et d’eau et optionnellement de CO ainsi que de l’énergie qui peut être utilisée pour par exemple produire de l’électricité. Ce mélange de CO2 et d’eau et optionnellement de CO ne contient pas d’azote car l’oxygène est apporté pour la combustion en boucle chimique par un matériau à base d’oxyde métallique, ledit matériau une fois réduit est re-oxydé dans un équipement séparé. L'enjeu est alors de valoriser ce carbone, et en particulier ce carbone bio-sourcé sous forme CO2 et CO en composés à haute valeur ajoutée ce qui est l’objet de la présente invention. Le procédé de combustion en boucle chimique repose sur la circulation de matériaux porteurs d'oxygène entre deux réacteurs. L’oxygène nécessaire à l’oxydation du combustible est fourni par le porteur d’oxygène dans le réacteur dit « Fuel », puis le porteur d’oxygène réduit est réoxydé par l’air dans le réacteur dit « Air ». Un flux de CO2 et de vapeur, facilement séparables, est ainsi obtenu en sortie du réacteur Fuel. La mise en œuvre la plus étudiée de cette voie de combustion est celle du lit fluidisé circulant. De nombreux matériaux synthétiques, différents minerais naturels ou encore les déchets de certaines industries ont été utilisés par le passé avec un certain succès comme matériaux porteurs d’oxygène, à la fois du point de vue de leur capacité de transfert d’oxygène et de leur réactivité. Il a été démontré que l'utilisation de minerais naturels bon marché, telle l'ilménite, pour la combustion de charges solides type charbon est réalisable. Néanmoins, la faible capacité de transfert d’oxygène et les cinétiques réactionnelles entraînent des tailles d'installation importantes, et les risques liés à l'agglomération ou à l'attrition sont élevés. Les matériaux synthétiques plus performants sont généralement constitués d'une phase active (un oxyde métallique qui réagit avec le combustible, choisi typiquement parmi les oxydes de Mn, Fe, Co, Ni ou Cu), et d'une phase liante (oxyde stable dans les conditions du procédé, par exemple Al2O3 ou SiO2) qui permet d'augmenter la résistance mécanique des particules. Le matériau porteur d’oxygène est un comburant intéressant puisqu’il est réutilisé pour faire de nombreux cycles de combustion d’une part et il fournit de l’oxygène pur qui facilite in fine la capture du CO2 d’autre part. Comparée à une combustion classique à l’air, la technologie de combustion en boucle chimique permet d’éviter de diluer le CO2 produit dans des fumées riches en composés azotés ; et comparé à une oxycombustion, la boucle chimique permet de s’affranchir d’un procédé d’obtention d’oxygène gazeux pur, généralement très coûteux d’un point de vue financier et énergétique. Ainsi, lorsque la combustion est complète, les fumées en sortie de réacteur fuel sont sensiblement composées de CO2 et de vapeur d’eau, séparés par simple condensation. Dans le cas où la combustion ne serait pas complète, des gaz imbrûlés, tels que CO, H2, CH4 peuvent être également présents dans les fumées en sortie du réacteur fuel. Une étape de polishing à l’oxygène hautement concentré peut alors être envisagée de façon à assurer une combustion complète des gaz imbrûlés, de sorte que les fumées ne contiennent plus de CO, H2 ou CH4. La technologie de combustion en boucle chimique peut être utilisée avec des combustibles gazeux, liquides ou solides comme les charbons ou la biomasse (Voir par exemple : Progress in Energy and Combustion Science, Vol 65 (2018), pages 6-66). Dans le contexte précédemment décrit, un premier objet de la présente description est de surmonter les problèmes de l’art antérieur et de valoriser le carbone, et en particulier le carbone bio-sourcé sous forme CO2 en composés à haute valeur ajoutée, et en particulier en éthanol. Spécifiquement, la présente invention concerne un dispositif et un procédé de production d’éthanol permettant de valoriser par combustion en boucle chimique des composés hydrocarbonés riches en oxygène (e.g. présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, préférentiellement au moins 3% poids, très préférentiellement au moins 5% poids) tels que de la biomasse, par conversion (par exemple de la totalité) du CO2. En particulier, l’invention repose sur la disposition d’une ou plusieurs unités permettant de convertir en éthanol le CO2 produit de la combustion en boucle chimique. Spécifiquement, l’objet de la présente invention peut se résumer à ajouter une unité de conversion du gaz à l'eau inversée (ou RWGS ou « Reverse Water Gas Shift » selon la terminologie anglo-saxonne) pour convertir au moins partiellement le CO2 en CO et obtenir ainsi un gaz enrichi en CO, suivi d'une unité de fermentation du CO en éthanol. Avantageusement, le CO2 présent à la sortie de l'unité de fermentation peut être recyclé à l'entrée de l'unité de Reverse Water Gas Shift, permettant ainsi la conversion totale du CO2. Selon un premier aspect, les objets précités, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un dispositif de conversion d’une charge comprenant des composés hydrocarbonés riches en oxygène, comprenant : - une unité de combustion en boucle chimique adaptée pour traiter une charge hydrocarbonée présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, et produire un effluent de combustion en boucle chimique comprenant au moins du CO2 et du H2O et optionnellement du CO ; - une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS adaptée pour traiter l’effluent de combustion en boucle chimique et produire un gaz de RWGS enrichi en CO et en eau ; et - une section réactionnelle de fermentation adaptée pour traiter le gaz de RWGS, et produire un effluent de fermentation enrichi en éthanol. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle de fermentation est directement connectée à la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS. Un des avantages de l’invention est notamment de pouvoir envoyer, sans étape de séparation, l’effluent issu de la RWGS (par exemple en totalité) contenant un mélange comprenant du CO, CO2, H2O et H2 directement dans la section réactionnelle de fermentation pour produire de l’éthanol. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une partie de sous produits formés dans la section réactionnelle de fermentation est recyclée dans l’unité de combustion en boucle chimique. Un autre avantage de l’invention est de pouvoir recycler à l’entrée de l’unité de combustion en boucle chimique tous les sous produits non désirés formés dans la section réactionnelle de fermentation, ce qui présent l’avantage de ne produire que de l’éthanol. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend une unité de déshydratation adaptée pour déshydrater l’éthanol en éthylène. Un autre avantage de l’invention est que l'éthanol ainsi produit peut être valorisé sous différentes formes, telles que par exemple sous forme d'éthylène (e.g. après déshydratation de l'éthanol). Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend une unité d’oligomérisation adaptée pour oligomériser l’éthylène. Avantageusement, l'éthylène peut être oligomérisé en oléfines plus longues (butènes, hexènes, octènes). On peut ainsi obtenir les monomères utiles à l'obtention de polymères biosourcés. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle de fermentation est adaptée pour recycler du CO2 présent en sortie de fermentation à l'entrée de la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le dispositif comprend en outre une ligne d’appoint pour fournir un apport en H2 dans l’effluent de combustion en boucle chimique. Selon un deuxième aspect, les objets précités, ainsi que d’autres avantages, sont obtenus par un procédé de conversion d’une charge comprenant des composés hydrocarbonés riches en oxygène, comprenant les étapes suivantes : - traiter une charge hydrocarbonée présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids dans une unité de combustion en boucle chimique pour produire un effluent de combustion en boucle chimique comprenant au moins du CO2 et du H2O et optionnellement du CO ; - traiter l’effluent de combustion en boucle chimique dans une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS pour produire un gaz de RWGS enrichi en CO et en eau ; et - traiter le gaz de RWGS dans une section réactionnelle de fermentation pour produire un effluent de fermentation enrichi en éthanol. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend d’envoyer le gaz de RWGS directement dans la section réactionnelle de fermentation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend de recycler à l’entrée de l’unité de combustion en boucle chimique au moins une partie de sous produits formés dans la section réactionnelle de fermentation. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend une étape de déshydratation de l'éthanol sous forme d'éthylène. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend une étape d’oligoméristion de l'éthylène. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend de recycler du CO2 présent en sortie dans la section réactionnelle de fermentation à l'entrée de la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le procédé comprend de fournir un apport en H2 dans l’effluent de combustion en boucle chimique au moyen d’une ligne d’appoint. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, l’unité de combustion en boucle chimique comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : - un réacteur opérant en lit fluidisé ; - température comprise entre 500 et 1000°C, de préférence entre 800 et 1000°C ; - pression comprise entre 0,1 et 1 MPa, de préférence entre 0,1 et 0,5 MPa. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : - température comprise entre 400°C et 1000°C, préférentiellement comprise entre 500°C et 1000°C, et plus préférentiellement encore comprise entre 650°C et 900°C ; - pression comprise entre 0,1 MPa et 10 MPa, préférentiellement comprise entre 0,1 MPa et 5 MPa, et plus préférentiellement comprise entre 0,1 MPa et 2,5 MPa ; - vitesse spatiale du gaz à l'entrée du réacteur comprise entre 5000 mL/g cata /h et 20000 mL/g cata /h ; - catalyseur comprenant au moins un élément choisi parmi le groupe consistant en Ni, Cu, Fe, Co Pt, Pd, Ru, Ag et Au. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section réactionnelle de fermentation comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : - présence d’un microorganisme capable de métaboliser le CO et/ou le couple CO2/H2 pour produire de l’éthanol ; - pH compris entre 3 et 9 ; - température de croissance comprise entre 20°C et 80°C ; - potentiel redox supérieur à -450 mV ; - pression comprise entre 0,1 MPa et 0,4 MPa. Des modes de réalisation selon le premier aspect et le deuxième aspect ainsi que d’autres caractéristiques et avantages des dispositifs et procédés selon les aspects précités vont apparaître à la lecture de la description qui suit, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en référence au dessin suivant. Liste des figures La montre une représentation schématique d’un dispositif selon la présente invention permettant de produire de l’éthanol par combustion en boucle chimique de composés hydrocarbonés présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, préférentiellement 3% poids, très préférentiellement 5% poids, et de préférence de biomasse. Dispositif de conversion d’une charge comprenant des composés hydrocarbonés riches en oxygène, comprenant : une unité de combustion en boucle chimique (10) adaptée pour traiter une charge hydrocarbonée (1) présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, et produire un effluent de combustion en boucle chimique (2) comprenant au moins du CO2 et du H2O ; une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20) adaptée pour traiter l’effluent de combustion en boucle chimique (2) et produire un gaz de RWGS (4) enrichi en CO et en eau ; et une section réactionnelle de fermentation (30) adaptée pour traiter le gaz de RWGS (4), et produire un effluent de fermentation (6) enrichi en éthanol. Dispositif de conversion selon la revendication 1, dans lequel la section réactionnelle de fermentation (30) est directement connectée à la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20). Dispositif de conversion selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel au moins une partie de sous produits formés dans la section réactionnelle de fermentation (30) sont recyclés dans l’unité de combustion en boucle chimique (10). Dispositif de conversion selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une unité de déshydratation adaptée pour déshydrater l’éthanol en éthylène. Dispositif de conversion selon la revendication 4, comprenant en outre une unité d’oligomérisation adaptée pour oligomériser l’éthylène. Dispositif de conversion selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle de fermentation (30) est adaptée pour recycler du CO2 (5) présent en sortie de fermentation à l'entrée de la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20). Dispositif de conversion selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une ligne d’appoint (3) pour fournir un apport en H2 dans l’effluent de combustion en boucle chimique (2). Procédé de conversion d’une charge comprenant des composés hydrocarbonés riches en oxygène, comprenant les étapes suivantes : traiter une charge hydrocarbonée (1) présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids dans une unité de combustion en boucle chimique (10) pour produire un effluent de combustion en boucle chimique (2) comprenant au moins du CO2 et du H2O ; traiter l’effluent de combustion en boucle chimique (2) dans une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20) pour produire un gaz de RWGS (4) enrichi en CO et en eau ; et traiter le gaz de RWGS (4) dans une section réactionnelle de fermentation (30) pour produire un effluent de fermentation (6) enrichi en éthanol. Procédé de conversion selon la revendication 8, comprenant d’envoyer le gaz de RWGS (4) directement dans la section réactionnelle de fermentation (30). Procédé de conversion selon la revendication 8 ou la revendication 9, comprenant de recycler à l’entrée de l’unité de combustion en boucle chimique (10) au moins une partie de sous produits formés dans la section réactionnelle de fermentation (30). Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, comprenant une étape de déshydratation de l'éthanol sous forme d'éthylène. Procédé de conversion selon la revendication 11, comprenant une étape d’oligoméristion de l'éthylène. Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, comprenant de recycler du CO2 présent en sortie dans la section réactionnelle de fermentation (30) à l'entrée de la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20). Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, comprenant en outre de fournir un apport en H2 dans l’effluent de combustion en boucle chimique (2) au moyen d’une ligne d’appoint (3). Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 8 à 14, comprenant au moins une des conditions opératoires suivantes : l’unité de combustion en boucle chimique (10) comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : un réacteur opérant en lit fluidisé ; température comprise entre 500°C et 1000°C ; pression comprise entre 0,1 MPa et 1 MPa, la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20) comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : température comprise entre 400°C et 1000°C ; pression comprise entre 0,1 MPa et 10 MPa ; vitesse spatiale du gaz à l'entrée du réacteur comprise entre 5000 mL/g cata /h et 20000 mL/g cata /h ; catalyseur comprenant au moins un élément choisi parmi le groupe consistant en Ni, Cu, Fe, Co Pt, Pd, Ru, Ag et Au, la section réactionnelle de fermentation (30) comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : présence d’un microorganisme capable de métaboliser le CO et/ou le couple CO2/H2 pour produire de l’éthanol ; pH compris entre 3 et 9 ; température de croissance comprise entre 20°C et 80°C ; potentiel redox supérieur à -450 mV ; pression comprise entre 0,1 MPa et 0,4 MPa.