Titre : Installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant, en aval du réacteur de gazéification, un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides. Procédé associé de fonctionnement de l’installation.

Domaine technique

La présente invention concerne le domaine de la conversion thermochimique de biomasse et plus particulièrement de la gazéification hydrothermale de la biomasse.

L’invention vise principalement à améliorer l’extraction des inorganiques et particules solides dans un procédé de gazéification en eau supercritique de ressources carbonées.

Par « biomasse», on entend ici et dans le cadre de l’invention, l’ensemble des matières organiques utilisées à des fins énergétiques ou agronomiques.

On entend par « matière organique » l’ensemble de la matière vivante, que ce soit les matières d’origine végétale comprenant les déchets organiques issus de l’agriculture et de la sylviculture : déchets agricoles, résidus alimentaires, bois, racines, feuilles..., les déchets organiques ménagers ou industriels, les boues des stations d’épuration..., les digestats de méthanisation, les champignons et les matières d’origine animale (fumier animal...) et autres résidus d’activité agricole.

La gazéification hydro thermale, aussi appelée, en eau supercritique, est une technologie de conversion de biomasses humides permettant le traitement de résidus et de déchets organiques. Elle utilise l’eau, contenue dans la biomasse, portée en conditions supercritiques comme milieu réactionnel pour produire un gaz de synthèse riche en méthane.

La gazéification hydrothermale concerne plus particulièrement des biomasses très humides, typiquement avec un taux d’humidité de plus de 70 %, qu'il n'est donc pas nécessaire de sécher au préalable. Les températures de réaction sont relativement basses, typiquement au maximum de 700 °C.

Par « eau supercritique », il est entendu le sens usuel, c’est-à-dire de l'eau à des températures supérieures à 374°C sous une pression supérieure à 22,1 MPa.

Technique antérieure

Dans le contexte du développement durable, la valorisation de toutes les bioressources à des fins énergétiques et de chimie verte est à envisager.

La valorisation des biomasses lignocellulosiques sèches, typiquement avec un taux d’humidité inférieur à 50%, comme le bois, les résidus agricoles ou les déchets secs est déjà à un stade industriel.

Les bioressources humides voire très humides, avec un taux d’humidité supérieur à 70%, représentent également un potentiel énergétique. Il s’agit de valoriser des résidus de différentes origines : résidus de l’industrie agro-alimentaire, résidus agricoles, résidus de l’industrie papetière tels que la liqueur noire, boues de station d’épuration et leur digestat de méthanisation, digestat de méthanisation d’ordures ménagères. Il peut être aussi intéressant de valoriser la biomasse humide, comme par exemple les algues (micro-algues ou macro algues).

Ces bioressources contiennent une fraction importante d’eau, communément entre 70 et 90%.

Un des procédés prometteurs pour ce type de biomasse consiste à réaliser la conversion thermochimique par voie hydrothermale : la matière organique contenue dans la ressource est convertie en gaz de synthèse, huiles combustibles ou en liquides valorisables, avec l’eau dans le rôle à la fois de milieu réactionnel et de réactif.

En particulier, le procédé de gazéification hydrothermale tire profit des propriétés particulières de l’eau en conditions dîtes supercritiques. Lorsque l’on se place dans de telles conditions, la matière organique est hydrolysée et conduit notamment à la formation de gaz combustibles énergétiques (PL, CTL _, C2H6 ...).

Cependant, les différentes bioressources contiennent aussi selon les cas une charge plus ou moins élevée de matières inorganiques qu’il est nécessaire de traiter dans les procédés retenus. En effet, les matières inorganiques engendrent des problématiques d’encrassement voire d’obturation des différents organes constituant les installations de conversion thermochimique comme le réacteur, les filtres, séparateur de phase, vannes etc.

Plus particulièrement, les nouvelles ressources considérées comme d’intérêt pour les procédés de conversion thermochimique, comme les digestats de boues de station d’épuration (STEP) et d’ordures ménagères, contiennent une fraction importante de matière inorganique, typiquement jusqu’à plus de 50% de la matière sèche.

On peut classer cette matière inorganique en deux catégories distinctes de constituants:

- celle pour laquelle les constituants sont solubilisés dans la ressource et qui vont précipiter dans l’eau supercritique ;

- celle pour laquelle les constituants sont présents à l’état solide dans la ressource et qui vont le rester tout au long du procédé de gazéification hydro thermale. Différentes solutions ont déjà été imaginées et/ou mise en œuvre pour collecter et soutirer la matière inorganique initialement solubilisée dans la ressource. En général, il est recherché d’extraire cette matière lorsqu’elle a formé des précipités dans l’eau supercritique.

Une solution peut consister en l’extraction des précipités une fois qu’ils sont revenus dans un état soluble (on parle alors de saumure), en conditions dites sous-critiques, pour faciliter le flux à travers des organes d’isolement, essentiellement des vannes, entre la partie haute pression du process et la basse pression. Cette solution est notamment décrite dans la demande de brevet EP3476468A1.

Une autre solution, décrite dans le brevet 3245165B1, consiste à piéger les précipités en conditions supercritiques à travers un lit fluidisé, composé par exemple de particules de sable ou de céramique, qui va avoir tendance à les retenir en son sein.

Le reste de la matière inorganique, i.e. les constituants autres que les constituants solubles dans la ressource, est donc présente, selon les bioressources, sous forme de particules de petites tailles, typiquement de quelques microns à quelques millimètres. Il peut s’agir notamment de particules de silice et de différents métaux.

Ainsi, le flux aqueux résiduel issu de la gazéification de la matière organique contenue dans le codigestat de méthanisation de fraction organique résiduelle et de boues, contient une quantité significative de ces particules solides inorganiques en suspension.

Les vannes de détente, à technologie dite à pointeau, utilisées conventionnellement dans les installations de gazéification hydrothermale pour la mise en œuvre impérative de l’étape de détente du flux résiduel qui résulte de la gazéification, depuis la pression de gazéification vers la pression atmosphérique, tolèrent mal la présence de ces particules solides inorganiques en suspension. Il est donc indispensable de les collecter avant le passage dans ces vannes de détente ou d’envisager une autre solution technologique.

En pratique, ces particules sont très difficiles à séparer de la matière organique au sein de la biomasse sous sa forme initiale. Un tri préalable à l’injection dans le réacteur est donc une opération complexe qui n’a pas encore démontré sa fiabilité.

Il est donc préférable de gérer ces particules après la réaction de gazéification.

A ce jour, un piégeage par décantation et/ou filtration est mis en place en amont des vannes de détente. Le piège peut être cependant rapidement saturé en raison de la grande quantité de ces matières. S’il devient alors nécessaire de purger le piège, l’extraction d’un flux très concentré en matière solide constituée de particules solides inorganiques en suspension , dont la taille est typiquement comprise entre 0,1 pm et 600pm et la concentration est typiquement comprise entre 1 et 5% en masse, depuis la haute pression du procédé, typiquement à environ 300 bars, vers la pression atmosphérique reste aussi problématique, car cela génère un encrassement et une usure des vannes de détente.

Il existe donc un besoin pour améliorer les solutions de traitement des particules solides inorganiques dans une installation mettant en œuvre un procédé de gazéification hydrothermale de biomasse, notamment afin de pallier les inconvénients précités.

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne, sous l’un de ses aspects, une installation de gazéification hydrothermale de biomasse, comprenant:

- un réacteur de gazéification adapté pour mettre en œuvre une gazéification hydro thermale;

- un système de détente du flux aqueux tolérant la présence de particules solides, relié en aval du réacteur, comprenant au moins deux branches fluidiques en parallèle, chacune des branches comprenant :

• au moins deux vannes à deux voies,

• au moins un réservoir formant un sas, agencé entre les deux vannes à deux voies.

Selon une variante de réalisation avantageuse, les vannes à deux voies sont des vannes motorisées.

Selon un mode de réalisation avantageux, les vannes à deux voies étant des vannes à boisseau, de préférence sphérique.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, chaque sas est adapté pour former un décanteur.

L’invention concerne également un procédé de fonctionnement d’une installation décrite précédemment, comprenant les étapes successives suivantes : i/ dans une des deux branches, dite première branche, ouverture de la vanne amont tandis que la vanne aval est fermée de sorte à remplir le sas d’un volume de flux résiduel aqueux à haute pression provenant du réacteur de gazéification, et simultanément, dans l’autre des deux branches, dite deuxième branche, ouverture de la vanne aval tandis que la vanne amont est fermée de sorte à vidanger un volume de flux résiduel aqueux présent dans le sas vers une zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique; ii / dans la deuxième branche, ouverture de la vanne amont tandis que la vanne aval est fermée de sorte à remplir le sas d’un volume de flux résiduel aqueux à haute pression provenant du réacteur de gazéification, et simultanément, dans la première branche, ouverture de la vanne aval tandis que la vanne amont est fermée de sorte à vidanger un volume de flux résiduel aqueux présent dans le sas vers une zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique; les étapes i / et ii/ étant réalisées en alternance.

Le temps de latence entre les étapes i / et ii/ et inversement entre les étapes ii/ et i / est à ajuster en fonction du volume des sas et du débit de flux. Ce temps de latence peut avantageusement être mis à profit pour permettre à une partie des particules de décanter, selon la durée de latence et la taille des particules.

Avantageusement, les étapes i / et ii/ sont réalisées de telle sorte que les volumes remplissant les sas et évacués vers la zone à pression sensiblement à la pression atmosphérique correspondent aux volumes pleins des sas.

Avantageusement encore, la répétition des étapes i / et ii/, est réalisée à des intervalles de temps compris entre 5 et 50 fois par heure pour un flux résiduel aqueux compris entre 1 et 10kg/h. Cette gamme avantageuse correspond à des sas de contenance égale à 100ml et en considérant que la densité de la solution qui transite est proche de 1. Il va de soi que cette gamme dépend du volume des sas et donc de la densité de la solution qui transite.

Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend entre les étapes i / et ii/, une étape d’enlèvement des particules solides décantées dans les sas.

De préférence, le flux résiduel aqueux provenant du réacteur de gazéification est à des pressions comprises entre 250 et 300 bars.

Ainsi, l’invention propose de substituer l’étage de traitement par filtration et détente du flux aqueux résiduel post gazéification qui est chargé de particules solides inorganiques comme selon l’état de l’art, par un système à double branche fluidique avec vannes deux voies et sas intercalé dont le pilotage alterné va permettre de dépressuriser le flux aqueux chargé en particules dans les sas. Autrement dit, le fonctionnement alterné des deux branches fluidiques va laisser transiter les particules solides de la partie de l’installation fonctionnant à haute pression à sa partie aval à basse pression.

Cela est alors ensuite plus simple de capter les particules solides dans le flux résiduel ramené à basse pression par des techniques courantes de séparation de phase et ce en fonction des besoins de post-traitement à appliquer à ce flux résiduel. En effet, en aval du système selon l’invention, la concentration des particules est suffisamment modérée, typiquement de l’ordre de 5 à 10%, le reste étant constitué d’une phase aqueuse légèrement enrichie en organiques et sels solubles, pour pouvoir utiliser du matériel standard existant sur le marché. Le fonctionnement du système selon l’invention est facilité par la présence du dioxyde de carbone issu de la gazéification de la matière organique. En effet, la détente du CO2 lors de son écoulement dans le système va le faire passer de son état liquide (haute pression) à son état gazeux (basse pression). Ce changement d’état physique va induire un phénomène de chasse du flux aqueux du sas concerné.

Le système de traitement selon l’invention est donc simple, efficace et de mise en œuvre aisée dans n’importe quelle installation de gazéification hydro thermale.

Dans le cadre de l’invention, le système peut comporter plus de branches fluidiques en parallèle. Ainsi, d’autres branches en parallèle peuvent être mise en œuvre pour faire transiter des débits plus importants tout en évitant des phénomènes de « coups de bélier », lors de l’ouverture des vannes depuis la zone haute pression vers les sas, qui présenteraient dans cette variante de plus petits volumes.

Avantageusement, disposer de plus de branches fluidiques peut aussi permettre de réaliser une maintenance sur l’une d’elles tout en assurant le fonctionnement du procédé par les autres branches fluidiques actives.

Également, une maintenance peut concerner une purge des particules qui auraient décantées dans le sas. On peut envisager que cette purge soit réalisée par l’intermédiaire d’un piquage spécifique qui pourrait être activé par l’enlèvement manuel d’un bouchon par exemple. L’invention concerne enfin l’application de l’installation décrite précédemment, ou du procédé de fonctionnement décrit ci-avant, pour la gazéification de biomasses organiques humides et comprenant des particules solides inorganiques.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes.

Brève description des dessins

[Lig 1] est une vue schématique d’une installation de gazéification hydro thermale de biomasse selon l’état de l’art. [Fig IA] est une vue schématique montrant en détail l’étage de filtration et de détente du flux aqueux chargé en particules selon l’état de l’art, tel qu’il est implanté dans l’installation selon la figure 1.

[Fig 2] est une vue schématique d’une installation de gazéification hydro thermale de biomasse selon l’invention.

[Fig 2A] est une vue schématique montrant en détail le système de traitement du flux aqueux résiduel selon l’invention, tel qu’il est implanté dans l’installation selon la figure 2.

[Fig 3A] est une vue schématique montrant une première étape du fonctionnement du système de traitement selon l’invention.

[Fig 3B] est une vue schématique montrant une deuxième étape du fonctionnement du système de traitement selon l’invention.

[Fig 4] représente dans le diagramme des phases du dioxyde de carbone son passage de l’état liquide à l’état de gazeux lors de son écoulement dans le système de traitement selon l’invention.

Description détaillée

Les figures 1 et IA sont relatives à un exemple d’installation de gazéification hydro thermale selon l’état de l’art.

Par souci de clarté, les mêmes références désignant les mêmes éléments selon l’état de l’art et selon l’invention sont utilisées pour toutes les figures 1 à 2A.

Dans les figures 1 et 2, les zones ZI et Z3 en pointillés clairs représentent les zones à basse pression des installations de gazéification hydrothermale, typiquement à la pression atmosphérique, tandis que la zone Z2 en pointillés noirs est une zone à haute pression, typiquement comprise entre 250 et 300 bars.

Dans la description qui va suivre les termes « entrée », « sortie » « amont », « aval », sont utilisés par référence avec la direction de circulation des produits obtenus au sein de l’installation mettant en œuvre en continu un procédé de gazéification hydro thermale.

On a représenté en figure 1, un exemple d’installation 1 selon l’état de l’art dans laquelle la gazéification hydrothermale est réalisée au sein d’un réacteur de gazéification 2.

Un étage de stockage de la matière 3 alimente par le biais d’un étage de pompage et d’injection 4, le réacteur de gazéification 2. L’étage de stockage 3 comprend un réservoir de stockage d’eau 30 et un réservoir de stockage de la solution de biomasse à gazéifier qui sont reliés par des vannes deux voies respectivement 32, 33 à une ligne de mélange et d’alimentation commune.

La pompe d’alimentation 40 aspire le mélange aqueux ainsi formé pour alimenter en traversant une vanne deux voies 41 le réacteur de gazéification 2.

A la sortie du réacteur 2, les produits obtenus sont séparés dans un étage de séparation 5 entre gaz combustibles parmi lesquels entre autres ¾, CtL et phase aqueuse chargée en particules inorganiques solides, telles que particules de silice ou de différents métaux.

Plus précisément, l’étage 5 comprend un réservoir de sortie 50 dans lequel la phase aqueuse est évacuée par le fond vers un étage de filtration et de détente 6 tandis que les gaz combustibles sont évacués par le haut vers un étage de détente 7.

Ainsi, pour réaliser la détente respectivement des gaz combustibles et du flux résiduel aqueux de la zone de haute pression Z2 à la zone Z3 à pression atmosphérique, chacun des étages 6, 7 comprend une vanne de détente, respectivement 60, 70.

Un étage de séparation 8 entre CO2 à l’état gazeux et le flux aqueux chargé en particules solides est agencé en aval de l’étage de filtration et de détente 6.

Plus précisément cet étage 8 comprend un réservoir d’évacuation dans lequel le CO2 à l’état gazeux est évacué par le haut par l’ouverture d’une vanne deux voies 81, tandis que le flux aqueux chargé en particules solides est évacué par le fond par ouverture d’une vanne deux voies 82.

L’étage de filtration et de détente 6 est illustré en détail en figure IA. La vanne de détente 60 est de type à pointeau qui délimite intérieurement un espace de passage du flux aqueux extrêmement réduit, typiquement de dimension de l’ordre du dixième de mm. Cela impose G utilisation d’un filtre 61 en amont pour filtrer les particules solides afin de ne pas bloquer la vanne de détente 60. Ce problème ne se pose pas pour la vanne de détente 70 qui réalise la détente des gaz combustibles qui constituent un fluide épuré.

Un inconvénient majeur est que le piège des particules solides dans le filtre 61 peut être rapidement saturé en raison de la grande quantité de ces matières. Il devient alors nécessaire de purger le filtre 61. En outre, l’extraction in situ d’un flux très concentré en matière solide depuis la haute pression de la zone Z2 vers la pression atmosphérique est aussi problématique de par l’encrassement et l’usure des vannes. Aussi, pour remédier à ces inconvénients, les inventeurs ont pensé à substituer la vanne de détente 60 couplée au filtre 61 en amont par un système de traitement 6 illustré en figures 2 et 2A.

Ce système 6 comprend deux branches fluidiques en parallèle 62, 63 reliées en amont à l’étage de séparation 5 et en aval à l’étage de séparation 8.

Chacune des deux branches 62, 63 comprend deux vannes à deux voies respectivement 64, 68 et 65, 69 entre lesquelles est agencé un réservoir formant un sas, respectivement 66 et 67. Les vannes à deux voies 64, 68 et 65, 69 sont motorisées et de préférence constituées par des vannes, dites «tourillon », à boisseau sphérique. Ces vannes présentent l’avantage d’offrir une grande section de passage et sont donc peu sensibles à l’encrassement. Les joints qui assurent l’étanchéité au niveau de l’organe mobile interne qui bloque ou permet le passage du flux aqueux sont néanmoins sensibles à l’abrasion. Aussi, de préférence, dans le cadre de l’invention, les joints des vannes sont en matériau très dur, tel que du polyétheréthercétone (PEEK), afin d’allonger leur durée de vie.

Les sas 65 et 67 reçoivent le flux aqueux à haute pression et le transfèrent ultérieurement vers la zone Z3 à basse pression. Les sas 65 et 67 sont des réservoirs dimensionnés mécaniquement vis-à-vis des contraintes des pressions de l’installation. Leur volume est adapté au débit à faire transiter dans l’installation.

Le fonctionnement du système 6 selon l’invention va maintenant être expliqué.

Etape i/ : Comme illustré en figure 3A, la vanne amont 64 de la branche 62 s’ouvre, ce qui provoque le remplissage du sas 66 par le flux aqueux à haute pression. Simultanément, la vanne aval 69 de la branche 63 s’ouvre et le sas 67 de cette branche est vidangé de son contenu vers la zone Z3 où la pression est proche de la pression atmosphérique.

Etape ii/ : Comme illustré en figure 3B, la vanne aval 68 de la branche 62 s’ouvre, ce qui provoque la vidange du sas 66 préalablement rempli du flux aqueux haute pression, vidangée vers une zone Z3 où la pression est proche de la pression atmosphérique. Simultanément, la vanne amont 65 de la branche 63 s’ouvre et le sas 67 de cette branche se remplit avec le flux aqueux haute pression.

L’ouverture et la fermeture motorisées des vannes deux voies 62, 68 et 65, 69 est réalisée par une unité de contrôle-commande en fonction du flux aqueux haute pression qui est produit et évacué du réacteur de gazéification 2. Autrement dit, les étapes i / et ii / précitées se déroulent à une cadence qui permet, en fonction aussi du volume des sas 66 et 67, d’évacuer le flux traité dans le réacteur de gazéification 2. A titre d’exemple, pour évacuer du réacteur 2, un flux résiduel de 10 kg/h avec des sas 66 et 67 chacun d’une contenance de 100 ml, l’étape i / est répétée 50 fois en alternance avec l’étape ii/ qui est aussi répétée 50 fois par heure, soit 100 remplissages des sas au total pour une cadence d‘un remplissage toutes les 38 secondes. Autrement dit, il y a un temps de latence entre les étapes i / et ii/ qui est ici de 38 secondes.

L’efficacité avec laquelle les sas 66 et 67 se remplissent et se vidangent pleinement est notablement améliorée par la présence du CO2 issu de la gazéification en amont de la matière organique.

En effet, comme représenté sur le diagramme de la figure 4, le CO2 dans la zone Z2 passe de l’état liquide, dans les conditions de pression de gazéification entre 250 et 300 bars, à l’état gazeux lors du début du remplissage de chacun des sas et surtout lors de la vidange vers la zone Z3. Ce changement d’état provoque une chasse ou autrement dit une expulsion du liquide stocké avec le CO2.

Les inventeurs ont procédé à des tests lors d’une gazéification en continu d’un digestat de méthanisation de fraction organique résiduelle, filtré à une taille de 600pm.

La gazéification dans le réacteur 2 s’est déroulé à une pression de 270 bars environ et le flux aqueux post gazéification, chargé en particules inorganiques a été ensuite détendu à une pression proche de la pression atmosphérique à l’aide du système 6 selon l’invention. L’essai de gazéification du digestat de méthanisation a été maintenu pendant 3h et le système 6 selon l’invention a parfaitement rempli ses fonctions son rôle pendant cette durée.

D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.