Brevet FR3126992A1 — publié le 20230317

Dispositif et procédé de conversion d’une charge comprenant des composés hydrocarbonés riches en oxygène, dans lesquels : une unité d’oxycombustion (10) traite une charge hydrocarbonée (1) présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, et produit un effluent d’oxycombustion (2) comprenant au moins du CO, du CO2 et du H2O ; une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20) traite l’effluent d’oxycombustion et produit un gaz de RWGS (4) enrichi en CO et en eau ; une section réactionnelle de fermentation (30) traite le gaz de RWGS et produit un effluent de fermentation (6) enrichi en éthanol ; et une section d’électrolyse de l’eau (40) traite de l’eau provenant de section réactionnelle de fermentation pour produire de l’oxygène envoyé vers l’unité d’oxycombustion et produire de l’hydrogène envoyé vers la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS. Figure 1 à publier Production d'éthanol par oxycombustion, 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 d’oxycombustion de composés hydrocarbonés riches en oxygène tels que de la biomasse. Les procédés d’oxycombustion de composés hydrocarbonés riches en oxygène produisent un mélange de CO2, d’eau et de CO ainsi que de l’énergie qui peut être utilisée pour par exemple produire de l’électricité. Ce mélange de CO2, d’eau et de CO ne contient que peu voire pas d’azote car un gaz enrichi en oxygène voire de l’oxygène pur est utilisé pour la combustion. 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. L'oxycombustion est un processus courant dans les industries du verre, du ciment et de l'acier. C'est également une approche technologique prometteuse pour la capture du CO2 après combustion, ce dernier pouvant être facilement séparé de l'eau produite et ne contient pas d'azote. La différence principale avec la combustion classique en présence d'air est que le combustible est brûlé en présence d'oxygène pur. L'oxygène pur, O2, peut être produit par une unité de séparation d'air qui élimine le N2 atmosphérique du flux d'oxydant ou par électrolyse de l'eau. Un gaz de fumée avec une concentration élevée de CO2 et de vapeur d'eau est alors produit en sortie d'oxycombustion. La vapeur d'eau peut être éliminée par condensation et on obtient un flux de CO2 de pureté relativement élevée qui, après une nouvelle purification et déshydratation, peut être pompé vers un site de stockage géologique ou être utilisé en tant que réactif chimique pour être transformé en produits à haute valeur ajoutée. Les technologies d'oxycombustion sont bien connues de l'homme de l'art, on peut par exemple se référer à l’article suivant : Fuel, volume 215, 1 Mars 2018, pages 778-786 pour la technologie mise en œuvre en lit fluidisé. L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau (H2O) en dioxygène (noté O2 ou oxygène ci-après) et dihydrogène (noté H2 ou hydrogène ci-après) gazeux grâce à un courant électrique. La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes — habituellement en métal inerte (dans la zone de potentiel et de pH considérée) comme le platine — immergées dans un électrolyte (ici l'eau elle-même) et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu. Plusieurs technologies d'électrolyse ont été développées, on peut par exemple se référer aux articles et revues suivants : Materials Science for Energy Technologies, volume 2, numéro 3, décembre 2019, pages 442-454 ; International Journal of Engineering and Advanced Technology, volume 4, numéro 3, février 2015, pages 80-93 ; Techniques de l'Ingénieur, réf. : j6366, 10 décembre 1992, « Hydrogène par électrolyse de l’eau » par Alain Damien ; Renewable and Sustainable Energy Reviews, volume 82, numéro 3, février 2018, pages 2440-2454. 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 CO et 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 oxycombustion 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 CO et du CO2. En particulier, l’invention repose sur la disposition d’une ou plusieurs unités permettant de convertir en éthanol le CO et le CO2 produits d’une unité d’oxycombustion. 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. Préférablement, l'H2 nécessaire pour la conversion du CO2 est intégralement fourni par une unité d'électrolyse de l'eau produite par le procédé (en sortie de l’étape d’aromatisation du CO2). L'oxygène nécessaire à l'oxycombustion est également préférablement fourni par ladite unité d'électrolyse de l'eau produite par le procédé. Ainsi le procédé selon l'invention ne nécessite pas d'apport d'eau, d'hydrogène ou d'oxygène externe, ce qui est un avantage notable car cela permet de conserver le caractère biosourcé des composés aromatiques produits, sans nécessiter d’unités de production d’hydrogène, par exemple par vaporeformage de gaz naturel. 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 d’oxycombustion adaptée pour traiter une charge hydrocarbonée présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, et produire un effluent d’oxycombustion comprenant au moins du CO, du CO2 et du H2O ; - une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS adaptée pour traiter l’effluent d’oxycombustion et produire un gaz de RWGS enrichi en CO et en eau ; - une section réactionnelle de fermentation adaptée pour traiter le gaz de RWGS, et produire un effluent de fermentation enrichi en éthanol ; et - une section d’électrolyse de l’eau adaptée pour traiter de l’eau provenant de section réactionnelle de fermentation pour produire de l’oxygène envoyé vers l’unité d’oxycombustion et produire de l’hydrogène envoyé vers la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS. 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 d’oxycombustion. Un autre avantage de l’invention est de pouvoir recycler à l’entrée de l’unité d’oxycombustion 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. Un autre avantage de l’invention est de ne pas nécessiter l’importation d’hydrogène, ce dernier étant produit par électrolyse de l’eau produite par le procédé. 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 H2O à l’entrée de la section d’électrolyse de l’eau. 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 d’oxycombustion pour produire un effluent comprenant au moins du CO, du CO2 et du H2O ; - traiter l’effluent d’oxycombustion 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 ; - traiter le gaz de RWGS dans une section réactionnelle de fermentation pour produire un effluent de fermentation enrichi en éthanol ; et - procéder à l’électrolyse d’eau provenant de la section réactionnelle de fermentation dans une section d’électrolyse de l’eau, pour produire de l’oxygène et de l’hydrogène ; et - envoyer l’oxygène vers l’unité d’oxycombustion et l’hydrogène vers la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS. 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 d’oxycombustion au moins une partie de sous produits formés dans la section réactionnelle de fermentation. 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, l’unité d’oxycombustion 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 3 MPa, de préférence entre 0,1 MPa et 1 MPa : - injection d’un gaz comprenant au moins 80% poids d’oxygène. 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 dans 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. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, la section d’électrolyse de l’eau comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : - température comprise entre 60°C et 90°C ; - pression comprise entre 0,1 MPa et 20 MPa, de préférence entre 0,1 Mpa et 4 MPa ; - électrolyte comprenant du KOH ; - électrodes comprenant un alliage métallique ; - diaphragme comprenant de l’amiante du polytétrafluoroéthylène et/ou de l’oxyde de nickel. D’autres technologies d’électrolyseur peuvent être utilisées pour la section d’électrolyse de l’eau, telles que l’électrolyse à membrane échangeuse de proton (PEM), l’électrolyse à membrane échangeuse d’anions (AEM) ou l’électrolyse à oxyde solide (SOE). Les conditions opératoires (température, pression, nature de l’électrolyte, des électrodes et du diaphragme/membrane) sont alors propres à chaque technologie. 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 oxycombustion 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 d’oxycombustion (10) adaptée pour traiter une charge hydrocarbonée (1) présentant une teneur en oxygène élémentaire au moins supérieure à 1% poids, et produire un effluent d’oxycombustion (2) comprenant au moins du CO, du CO2 et du H2O ; une section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20) adaptée pour traiter l’effluent d’oxycombustion (2) et produire un gaz de RWGS (4) enrichi en CO et en eau ; une section réactionnelle de fermentation (30) adaptée pour traiter le gaz de RWGS (4), et produire un effluent de fermentation (6) enrichi en éthanol ; et une section d’électrolyse de l’eau (40) adaptée pour traiter de l’eau provenant de section réactionnelle de fermentation (30) pour produire de l’oxygène envoyé vers l’unité d’oxycombustion (10) et produire de l’hydrogène envoyé vers la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20). 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) est recyclée dans l’unité d’oxycombustion (10). Dispositif de conversion selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle de fermentation (30) 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 (20). Dispositif de conversion selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une ligne d’appoint (11) pour fournir un apport en H2O à l’entrée de la section d’électrolyse de l’eau (40). 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 d’oxycombustion (10) pour produire un effluent d’oxycombustion (2) comprenant au moins du CO, du CO2 et du H2O ; traiter l’effluent d’oxycombustion (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 ; traiter le gaz de RWGS (4) dans une section réactionnelle de fermentation (30) pour produire un effluent de fermentation (6) enrichi en éthanol ; procéder à l’électrolyse d’eau provenant de la section réactionnelle de fermentation (30) dans une section d’électrolyse de l’eau (40), pour produire de l’oxygène et de l’hydrogène ; et envoyer l’oxygène vers l’unité d’oxycombustion (10) et l’hydrogène vers la section réactionnelle de conversion du gaz à l'eau inversée RWGS (20). Procédé de conversion selon la revendication 6, comprenant d’envoyer le gaz de RWGS (4) directement dans la section réactionnelle de fermentation (30). Procédé de conversion selon la revendication 6 ou la revendication 7, comprenant de recycler à l’entrée de l’unité d’oxycombustion (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 6 à 8, 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 6 à 9, dans lequel l’unité d’oxycombustion (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 3 MPa ; injection d’un gaz comprenant au moins 80% poids d’oxygène, Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel 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 dans le groupe consistant en Ni, Cu, Fe, Co, Pt, Pd, Ru, Ag et Au. Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel 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. Procédé de conversion selon l’une quelconque des revendications 6 à 12, dans lequel la section d’électrolyse de l’eau comprend au moins un réacteur utilisé dans au moins une des conditions opératoires suivantes : température comprise entre 60°C et 90°C ; pression comprise entre 0,1 MPa et 20 MPa, de préférence entre 0,1 Mpa et 4 MPa ; électrolyte comprenant du KOH, électrodes comprenant un alliage métallique ; diaphragme comprenant de l’amiante du polytétrafluoroéthylène et/ou de l’oxyde de nickel.