FR2933988A1

FR2933988A1 - Dispositif industriel fabriquant son propre combustible

Info

Publication number: FR2933988A1
Application number: FR0854880A
Authority: FR
Inventors: Pierre Jeanvoine; David Galley
Original assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Current assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-01-22
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: FR2933988B1; EP2304003A2; EA201170225A1; WO2010007325A2; KR20110043594A; BRPI0916785A2; US20110179716A1; CN102099448A; JP2011528390A; MX2011000530A; WO2010007325A3

Abstract

L'invention concerne un dispositif comprenant une unité de fabrication industrielle comprenant un brûleur brulant un fluide combustible, ladite unité générant des fumées de combustion contenant du CO2, et une unité de production dudit fluide combustible alimentée en matière organique, ladite matière organique étant décomposé dans ladite unité de production en ledit fluide. L'invention concerne aussi le procédé industriel utilisant le dispositif.

Description

1 DISPOSITIF INDUSTRIEL FABRIQUANT SON PROPRE COMBUSTIBLE

L'invention concerne un dispositif industriel utilisant de la matière organique comme de la biomasse comme source d'énergie.

Selon l'invention, on propose une technologie qui vise à suppléer à l'emploi des énergies fossiles dans les procédés industriels, à baisser les émissions de CO2 dans l'atmosphère et le coût de l'énergie. En effet, dans le but de réduire la concentration des gaz à effet de serre dans l'atmosphère, on encourage les industriels par une politique fiscale appropriée à utiliser non pas des énergies fossiles (pétrole, gaz naturel) car cela ramène toujours plus de carbone et de CO2 à la surface de la Terre, mais du combustible renouvelable comme de la biomasse qui absorbe du CO2 pour sa croissance. Le dispositif industriel selon l'invention comprend d'une part une unité de fabrication comprenant un système de combustion (incluant au moins un brûleur) utilisant un fluide combustible, notamment du type carburant gazeux, ladite unité de fabrication générant des gaz de combustion et d'autre part une unité de production de fluide combustible (pouvant notamment comprendre un gazéificateur) généré après décomposition d'une matière organique. Le fluide combustible est amené à l'unité de fabrication pour y être brûlé dans un brûleur.

Pour le cas ou le fluide combustible est un gaz combustible, l'unité de production du fluide comprend un gazéificateur, l'unité de fabrication et le gazéificateur étant avantageusement proches l'un de l'autre de sorte que le gaz combustible généré dans l'unité de production de combustible n'est pas stocké et est amené directement à l'unité de fabrication. Ceci évite les transports de matière et les déperditions de chaleur. La distance entre l'unité de fabrication et l'unité de production de combustible est de préférence inférieure à 10 km et même inférieure à 5 km. Ainsi, l'invention concerne en premier lieu un dispositif comprenant une unité de fabrication industrielle comprenant un brûleur brulant un fluide combustible, ladite unité générant des fumées de combustion contenant du CO2, et une unité de production dudit fluide combustible alimentée en matière organique, ladite matière organique étant décomposé dans ladite unité de production en ledit fluide. 2 La chaleur des fumées peut être utilisée pour chauffer un élément de la chaîne de production du fluide combustible, comme un sécheur de la matière organique, ou un bioréacteur générant la matière organique ou une chaudière. Avantageusement, on utilise un flux de chaleur en provenance de l'unité de fabrication industrielle pour fournir l'énergie nécessaire à l'accomplissement des réactions (pouvant être endothermiques) de gazéification ou de liquéfaction de la matière organique. L'unité de fabrication peut notamment être un four de verrerie (toutes applications verrières : verre plat, verre creux, fibres, etc.), un générateur d'électricité, une usine métallurgique, etc. Cette unité de fabrication utilise au moins un brûleur brulant un fluide combustible (gaz ou liquide), ledit brûleur pouvant notamment être du type brûleur immergé ou brûleur dans l'espace aérien de combustion. Le gazéificateur peut fonctionner selon un mode thermochimique ou un mode biologique. Selon le mode thermochimique, la matière organique est décomposée à haute température par un processus thermochimique dans un thermogazéificateur . Les réactions chimiques ont lieu par réaction de la matière organique avec un gaz oxydant comprenant de la vapeur d'eau ou de l'oxygène ou du CO2, habituellement entre 800°C et 1700°C. Le gaz combustible ainsi produit, également appelé gaz de synthèse ou syngaz contient de fortes proportions de monoxyde de carbone et d'hydrogène. Il contient généralement aussi du méthane. La somme des pourcentages molaires d'hydrogène et de monoxyde de carbone est généralement d'au moins 10% et même généralement d'au moins 30%, voire même d'au moins 35%. Ce gaz combustible a généralement un pouvoir calorifique inférieur d'au moins 1 MJ/Nm3 et même généralement d'au moins 5 MJ/Nm3 et pouvant même atteindre au moins 10 MJ/Nm3. Il est généralement inférieur à 30 MJ/Nm3. La matière organique peut être un solide ou liquide combustible comme de la biomasse et/ou des déchets comme les pneus usagés, les plastiques, résidus de broyage automobile, boues, matières combustibles de substitutions (dites MCS ), voire même des déchets ménagers. La matière organique peut être de nature biologique ou être issus de l'industrie agro-alimentaire. Il peut s'agir de farines animales. Il peut s'agir de biomasse terrestre ou aqueuse, notamment du type : pailles, tiges de miscanthus, algues, etc. Il peut aussi s'agir de charbon, lignite, tourbe, etc. Il peut s'agir de déchet de bois, de papier de l'industrie de la papeterie. Il peut s'agir de polymère organique, par exemple du polyéthylène, du polypropylène, du polystyrène, de résidus de pneumatique, ou de broyage de composants automobile. Selon le mode biochimique, une biomasse est décomposée dans un biogazéificateur à une température généralement comprise entre 10°C et 80°C et de préférence entre 40 et 70°C, plus généralement entre 40 et 65°C sous l'influence de bactéries. La biomasse est généralement gazéifiée après séchage et mise à la bonne granulométrie, le cas échéant après liquéfaction, le fluide combustible formé alimente le brûleur de l'unité industrielle de fabrication. La décomposition en biogazéificateur a généralement lieu en l'absence d'air. Selon ce mode, le gaz combustible formé (pouvant être appelé biogaz) contient du méthane. Il contient également généralement du gaz carbonique. Ce gaz carbonique peut éventuellement être éliminé du gaz combustible avant d'alimenter le brûleur de l'unité de fabrication. La biomasse peut avantageusement être une algue. Celle-ci en effet a besoin uniquement de soleil (sauf exceptions), d'eau, de CO2 et d'oligo-éléments pour se nourrir. Sa croissance peut être extrêmement rapide (plusieurs récoltes dans l'année) et sa culture peut être réalisée dans un bioréacteur adapté sans concurrencer les cultures alimentaires. La vitesse de croissance d'algues en bioréacteur peut être supérieure à 50 fois la vitesse de croissance dans la nature. La croissance d'algues peut être accélérée par l'augmentation du taux de CO2 dans son environnement immédiat, et c'est cette propriété que l'on exploite dans un bioréacteur. Ainsi, l'unité de production du fluide combustible peut comprendre un gazéificateur biologique décomposant la matière organique sous l'influence de bactéries pour former le fluide combustible sous forme gazeuse. De par la combustion du gaz combustible dans l'unité de fabrication (via le brûleur), cette dernière rejette des fumées représentant une source de calories et une source de CO2. A titre d'exemple, la fumée sortant de fours de verreries est habituellement comprise entre 300 et 600°C. On peut notamment utiliser la chaleur des fumées pour participer au fonctionnement du gazéificateur. En particulier, si le gazéificateur fonctionne sur le principe d'une réaction entre de la vapeur d'eau et de la matière organique (cas de syngaz), on peut utiliser la chaleur des fumées pour chauffer et vaporiser de l'eau dans une chaudière avant d'envoyer cette eau au gazéificateur. Si le gazéificateur fonctionne sur le principe biologique, on peut utiliser la chaleur des fumées pour chauffer le bioréacteur. Notamment, la chaleur nécessaire aux bioréacteurs peut être de l'air et/ou de l'eau chaude en provenance d'un échangeur installé sur le circuit des fumées issues de l'unité de fabrication industrielle. On peut envoyer les fumées sur un échangeur pour chauffer de l'eau qui elle, chauffe le bioréacteur. Cette eau chaude peut aussi être directement introduite dans le bioréacteur pour constituer le milieu dans lequel la matière biologique va se développer (comme une algue). On peut aussi utiliser cette chaleur des fumées pour sécher une biomasse destinée à un gazéificateur. Ainsi, les fumées en provenance de l'unité de fabrication peuvent être envoyées dans un bioréacteur à l'intérieur duquel se trouve la matière organique, laquelle est du type végétal comme une algue, ledit végétal assimilant le CO2 des fumées pour sa croissance, ledit végétal étant ensuite envoyé à l'unité de production du fluide combustible pour être décomposé en fluide combustible.

Quel que soit le gazéificateur choisi, la matière organique peut être transformée au moins partiellement en huile par une opération de pyrolyse, avant d'être envoyée au gazéificateur. Certaines matières organiques solides notamment du type biomasse peuvent être transformées en un liquide visqueux (ou huile) par pyrolyse vers 500°C sous pression (à la manière du pétrole qui s'est constitué naturellement à partir de matières organiques). Notamment, les algues se prêtent très bien à cette transformation puisque que l'on peut même transformer en huile de l'ordre de 40% de la masse de certaines algues. Cette transformation en liquide procure l'avantage de réduire considérablement le volume de matière à introduire dans le gazéificateur. De plus, cette matière condensée sous forme d'huile devient facilement transportable dans la mesure où ses coûts de transport deviennent alors raisonnables, ce qui n'est pas le cas de la biomasse de départ, généralement trop volumineuse eu égard à l'énergie qu'elle procure.

Selon l'unité industrielle, on peut envoyer directement au bruleur (sans gazéification) ce liquide combustible issu de la transformation thermique de la matière organique, notamment du type biomasse. Dans ce cas, le fluide combustible est un liquide combustible et l'unité de production dudit fluide combustible comprend ce réacteur de pyrolyse pour transformer cette matière organique en liquide plus ou moins huileux. Notamment, il est possible d'alimenter directement par ce liquide un brûleur immergé ou non-immergé de four verrier. Les fumées sortant de l'unité de fabrication sont aussi une source importante de gaz carbonique. On peut utiliser ce gaz carbonique pour alimenter directement une biomasse en croissance dans un bioréacteur. En effet, selon un mode de réalisation de l'invention, le CO2 sortant de l'unité industriel sert à faire pousser de la biomasse par transformation biologique du CO2 en matière organique. Une telle opération est réalisée dans un bioréacteur.

Dans le cas d'une algue, le bioréacteur contient de l'eau dans laquelle se trouve l'algue. Le CO2 provenant de l'unité industrielle est envoyée pour barboter dans cette eau de croissance. Ainsi, le CO2 se dissout dans l'eau et vient en contact direct avec l'algue qui peut ainsi l'assimiler. Le bioréacteur est ainsi connecté au flux de chaleur et de CO2 en provenance de l'unité de fabrication industrielle.

On peut donc utiliser de façon combinée le flux de chaleur et celui de CO2 par une injection des fumées ou d'une partie de celles-ci directement dans le bioréacteur, ou, le cas échéant, après purification et/ou échange thermique pour faire baisser la température des fumées. Le soufre éventuellement contenu dans les fumées sous forme de sulfates peut de plus avoir un rôle favorable dans le métabolisme de certains types de biomasse. La quantité de CO2 récupérable des fumées est égale à la quantité nécessaire à la croissance de la biomasse. Le bioréacteur est localisé de préférence dans le voisinage immédiat de l'unité de fabrication industrielle pour éviter les transports de matière et les déperditions de chaleur.

On peut donc utiliser au moins une partie des flux sortant du four de verrerie pour assurer la croissance de la biomasse nécessaire à l'énergie de l'unité de fabrication (cas de l'intégration totale de la chaine énergétique dans la ligne de fabrication industrielle) ou seulement faciliter le traitement (séchage, gazéification...) d'une biomasse d'origine externe à la ligne de production. La partie minérale de la biomasse (phosphates, potasse, etc) obtenue après l'opération de gazéification et/ou liquéfaction, par exemple sous forme de cendres, peut être recyclée dans les bioréacteurs comme élément nutritif pour la croissance de la biomasse. La figure 1 représente une unité de fabrication 1 dont la fabrication (par exemple du verre) sort en 2. Des fumées sont générées par au moins un brûleur dans ladite unité et évacuées en 3. Le brûleur de l'unité de fabrication 1 est alimenté en combustible liquide via la canalisation 6 qui vient d'une unité de pyrolyse 5 alimenté en 4 en matière organique. La figure 2 représente une unité de fabrication 1 dont la fabrication (par exemple du verre) sort en 2. Des fumées sont générées par au moins un brûleur dans ladite unité et évacuées en 3. Ces fumées sont amenées à un échangeur de chaleur 7 pour communiquer de la chaleur des fumées à un bioréacteur 8 à l'intérieur duquel poussent des algues. Ces algues sont décomposées dans un biogazéificateur 9 pour produire un gaz combustible, lequel est amené par 6 à l'unité de fabrication industrielle 1. La figure 3 représente une unité de fabrication 1 dont la fabrication (par exemple du verre) sort en 2. Des fumées sont générées par au moins un brûleur dans ladite unité et évacuées en 3. Les fumées passent par un échangeur de chaleur 10 pour céder une partie de leurs calories, puis vont directement dans un bioréacteur 11 à l'intérieur duquel poussent des algues. Les algues produites en 11 sont ensuite séchées en 12. Dans l'échangeur 10 une partie de la chaleur des fumées a été communiqué à un circuit d'air qui rentre dans l'échangeur en 15, et l'air chaud est amené via 14 au sécheur 12 pour sécher les algues. Les algues séchées sont ensuite décomposées dans un biogazéificateur 13 pour produire un gaz combustible, lequel est amené par 6 à l'unité de fabrication industrielle 1.

La figure 4 représente une unité de fabrication 1 dont la fabrication (par exemple du verre) sort en 2. Des fumées sont générées par au moins un brûleur dans ladite unité et évacuées en 3. Les fumées traversent une chaudière 16 pour donner des calories à de l'eau que l'on souhaite vaporiser, puis sont amenées à un bioréacteur 17 à l'intérieur duquel poussent des algues. Les algues consomment le CO2 des fumées pour pousser. Ces algues sont ensuite amenées via 20 à un thermogazéificateur 18 qui produit un gaz combustible, lequel est amené via 6 au brûleur de l'unité de fabrication industrielle 1. La vapeur d'eau créée par la chaudière 16 est amenée via 19 au gazéificateur pour réagir avec la biomasse et produire le syngaz.

EXEMPLE On prend le cas d'un four à verre de 30 mégawatts de puissance. Si le gazéificateur ne bénéficie pas d'un retour d'énergie en provenance du four, la quantité de biomasse totale nécessaire au fonctionnement complet de la ligne est de 80 000 t/an (à 4 MWh/t) : cette biomasse fournit 240 000 m3/jour de syngaz au pouvoir calorifique inférieur (PCI) de 3 kWh/m3 pour alimenter le four verrier et 60 000 m3/jour pour faire fonctionner le gazéificateur. La biomasse représente environ 150 000 t/an de CO2, éventuellement disponible pour alimenter la croissance de la biomasse dans les bioréacteurs. Si on bénéficie d'un retour d'énergie en provenance des fumées sous forme de chaleur sensible (4 MW disponible), on peut l'utiliser (liste non limitative): - au séchage de la biomasse pour amener celle-ci en dessous de 10% d'humidité, et/ou - au préchauffage du medium caloporteur d'un gazéificateur en lit fluidisé ou circulant, ce qui permet d'économiser de l'énergie en provenance de la biomasse et d'augmenter le volume de gaz disponible, et/ou - au chauffage des bioréacteurs dans lesquels se produit la croissance de la biomasse, et/ou - au préchauffage du syngaz ou du biogaz pour alimenter le four principal ou le gazéificateur.30

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif comprenant une unité de fabrication industrielle comprenant un brûleur brulant un fluide combustible, ladite unité générant des fumées de combustion contenant du CO2, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend une unité de production dudit fluide combustible, ladite unité de production étant alimentée en matière organique, ladite matière organique étant décomposée en ledit fluide dans ladite unité de production.
2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de production du fluide comprend un élément chauffé par la chaleur des fumées.
3. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément est un sécheur de la matière organique.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément est un bioréacteur.
5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément est une chaudière.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les fumées sont envoyées dans un bioréacteur à l'intérieur duquel se trouve la matière organique, laquelle est du type végétal, ledit végétal assimilant le CO2 des fumées pour sa croissance, ledit végétal étant ensuite envoyé à l'unité de production du fluide combustible pour être décomposé en fluide combustible.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la matière organique est une algue.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de production dudit fluide combustible comprend un gazéificateur biologique décomposant la matière organique sous l'influence de bactéries pour former le fluide combustible sous forme gazeuse.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'unité de production dudit fluide combustible comprend ungazéificateur thermochimique décomposant la matière organique par réaction de celle-ci avec un gaz oxydant comprenant de la vapeur d'eau ou de l'oxygène ou du CO2 pour former le fluide combustible sous forme gazeuse.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'unité de production dudit fluide combustible comprend un réacteur de pyrolyse pour transformer la matière organique en liquide combustible.
11. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le liquide combustible fait office de fluide combustible.
12. Utilisation du dispositif de l'une des revendications précédentes pour une fabrication industrielle, notamment de verre.