WO2013117854A1 - Procede, systeme et installation de traitement de matieres hydrocarbonees liquides et/ou pateuses - Google Patents

Procede, systeme et installation de traitement de matieres hydrocarbonees liquides et/ou pateuses Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a process for treating liquid and / or pasty hydrocarbonaceous materials. It also relates to a system implementing such a method and an installation implementing such a system.
  • the field of the invention is the field of the treatment of liquid and / or pasty hydrocarbonaceous materials, more particularly of fuel oil and more particularly of heavy fuel oil, for example heavy fuel oil of category 2 or higher, oil sands or lands polluted by hydrocarbons.
  • the invention relates in particular to the conversion of hydrocarbonaceous materials into high energy synthesis gas, such as synthesis gas comprising H 2 and CO.
  • Heavy fuel oil for example, viscous pasty in origin, is currently used in diesel engines. It comprises a liquid part and a solid part. Prior to its use in diesel engines, it is necessary to separate the solid portion of the liquid portion by prior heat treatment by a heat treatment device in decantation systems and then by centrifugation at 80/100 ° C. It is only the liquid part that is used as fuel in diesel engines. The solid part, rich in hydrocarbon compounds, is not valued. However, the need for prior thermomechanical treatments of heavy fuel oil for use of the liquid portion only penalizes the overall yield. This is why heavy fuel oil is only rarely used despite its availability.
  • the present invention proposes to overcome the aforementioned drawbacks.
  • Another object of the invention is to provide a method and system for treating hydrocarbonaceous materials having a higher overall yield than current methods and systems.
  • Yet another object of the invention is to provide a method and a system for treating hydrocarbonaceous materials enabling the energetic valorization of liquid hydrocarbonaceous and / or pasty materials which can not be exploited with the existing processes and treatment systems.
  • Another object of the present invention is to provide a method and a system for treating hydrocarbonaceous materials for transforming hydrocarbonaceous materials into a source of energy exploitable by existing devices.
  • the invention makes it possible to achieve at least one of the abovementioned goals by a process for treating liquid and / or pasty hydrocarbonaceous materials, more particularly fuel oil, more particularly heavy fuel oil, characterized in that it comprises the following steps:
  • a first gas flow at a temperature greater than or equal to 800 ° C. comprising molecules of CO, H 2 0, gas phase hydrocarbon molecules and optionally H 2 molecules, and ⁇ a non-gaseous feed comprising non-gaseous hydrocarbon molecules, in particular solid;
  • the second gas stream is exclusively composed of hyper-reactive oxidants whose object is to perfect the redox reaction by reducing them by the gaseous hydrocarbon molecules of the first gas stream to generate CO and possibly H 2 .
  • the process according to the invention makes it possible to perfect the conversion of the hydrocarbon molecules into CO and H 2, which is a high energy synthesis gas and to increase the amount of hydrocarbon materials converted and consequently the overall yield of the process.
  • Carbon monoxide is a gas with a high energy value and whose energy can be exploited by current devices.
  • the process according to the invention makes it possible to promote the volatile part of a hydrocarbon material by oxygen injection and "redox" reaction by an oxidant (for example C0 2 or any other gaseous oxide (NOx, SOx, etc.) and / or solid: NiO, CaO, FeO, etc. found in the materials polluted by the hydrocarbons and / or in the gaseous effluents to obtain a gaseous flow comprising carbon monoxide.
  • an oxidant for example C0 2 or any other gaseous oxide (NOx, SOx, etc.
  • NiO, CaO, FeO, etc. found in the materials polluted by the hydrocarbons and / or in the gaseous effluents to obtain a gaseous flow comprising carbon monoxide.
  • the process according to the invention makes it possible, unlike the current processes and devices, to also enhance the non-gaseous part, ie the solid part, of the hydrocarbon material to produce, with the carbon elements present in this part.
  • a second gaseous flow consisting essentially of carbon dioxide (C0 2 ) reactive at a temperature between 1000 ° C and 1200 ° C which is then used to reduce the gaseous hydrocarbon molecules present in the first gas stream and increase the amount of carbon monoxide present in the third gas stream.
  • the method according to the invention therefore makes it possible to efficiently valorize a larger quantity of a given charge of hydrocarbon material in comparison with current processes and systems, so that the overall yield of the process according to the invention is greater than the overall yield.
  • the injection of O 2 during the gasification step is carried out so that the oxycombustion of the hydrogen of the hydrocarbon molecule generates the energy to raise the temperature of the medium and to provide a first flow. gaseous at a minimum temperature of 800 ° C.
  • the method according to the invention may further comprise a thermal conditioning step of the first gas stream before mixing the first gas stream with the second gas stream.
  • Such thermal conditioning can comprise, and more particularly consists of, a heat exchange between the first flow gas and the second gas stream for example through a heat exchanger.
  • the step of supplying the hydrocarbonaceous materials at a temperature greater than or equal to the autoignition temperature may be achieved by indirect heating of said hydrocarbonaceous materials, for example by heat exchange with a hot gas stream in a heat exchanger or by electric heating or any other equivalent means.
  • Such a gas stream may be the third gas stream, used to heat the hydrocarbon materials before being used as energy source synthesis gas and / or molecular base for other combinations of synthesis.
  • the step of supplying the hydrocarbonaceous materials at a temperature greater than or equal to the autoignition temperature may be carried out by mixing said hydrocarbonaceous materials with a gaseous effluent having a temperature greater than or equal to the temperature of the hydrocarbon materials, for example a temperature greater than or equal to 200 ° C, and preferably greater than or equal to 300 ° C.
  • the oxygen used for the gasification is injected directly into the gaseous effluent before it is mixed with the hydrocarbonaceous materials, the aim being to provoke a primary oxyfuel combustion of the hydrocarbons in order to raise the temperature of the assembly to a higher temperature. or 800 ° C which promotes the pyrolysis of said hydrocarbon materials.
  • the gaseous effluent may be an exhaust gas from a fuel combustion device, such as a heat engine, such exhaust gas comprising N 2 , C0 2 , ⁇ , SO x , CO, organic particles and O 2 .
  • a fuel combustion device such as a heat engine
  • exhaust gas comprising N 2 , C0 2 , ⁇ , SO x , CO, organic particles and O 2 .
  • Such an exhaust gas may also consist of or include industrial fumes.
  • the exhaust gas is, original or elevated by any means (as specified above), at a preferred temperature of 300 ° C minimum.
  • the exhaust gas composed of the combustion gases comprising N 2 , CO 2 , NO x , SO x , CO, various aerosol particles and excess oxygen is used to bring the hydrocarbon materials to a self-ignition temperature.
  • the first gaseous flow is then composed of the exhaust gas molecules: N 2 , CO 2 (partly converted to CO by the reduction of the carbons of the oxy-oxidized hydrocarbon molecules), NO x , SO x , CO, H 2 0 (derived from the exo-energetic oxidation-dehydrogenation of said hydrocarbon molecules), CO originating from the reduction-redox of the carbons of the dehydrogenated molecules by oxidizing CO 2 present in the exhaust gas, hydrocarbon molecules in the gas phase, and possibly H 2 molecules.
  • the oxycombustion of the hydrogen of the hydrocarbon molecule generates the energy to raise the temperature of the medium, initiating the redox reaction of the oxidants, present in the gas stream, on the carbons already in a reducing state and supplying a first gas stream to a temperature of 800 ° C minimum.
  • the mixture of the first and second gaseous flows carries out the deoxidation, by the gaseous hydrocarbon molecules present in the first gaseous flow, molecules of NO x and SO x present in the first gaseous flow and molecules of C0 2 and O 2 present in the second gaseous flow, the third gaseous flow then comprising the molecules following: N 2 , S 2 , CO, H 2 O, and optionally molecules of CO 2 and H 2 at a temperature of between 1000 and 1200 ° C.
  • the process according to the invention also makes it possible to crack and reduce particularly polluting molecules present in the exhaust gas, such as the NO x and SO x molecules, which will be evacuated under N 2 form in the nitrogen present in the treated effluent and the sulfur that will be recovered upstream during a cooling phase.
  • particularly polluting molecules present in the exhaust gas such as the NO x and SO x molecules
  • the process according to the invention may have the objective of converting C0 2 by hydrocarbonaceous materials into synthesis gas (CO and H 2 ). This syngas can then be used in existing conventional systems (whereas the basic hydrocarbon materials may not be exploitable without a difficultly viable treatment).
  • the gaseous effluent may be a gas stream consisting of C0 2 .
  • the oxygen added to said gaseous effluent is proportioned to the amount of hydrocarbon molecules to be oxidized to generate the gasification energy (pyrolysis) of the hydrocarbon materials.
  • the first gas stream may also comprise H 2 which is also a gas with a high energy value.
  • the first gas stream comprises molecules of CO, H 2 , H 2 O and hydrocarbon molecules in the gas phase and optionally C0 2 molecules.
  • the oxycombustion of the molecular hydrogen of the hydrocarbon molecule generates the energy to raise the temperature of the medium and prime the redox reaction and provide a first gas stream at a minimum temperature of 800 ° C.
  • the second gas stream comprises molecules of C0 2 , O 2 and H 2 0.
  • This second gas stream is exclusively composed of hyper-reactive oxidants whose object is to perfect the redox reaction by reducing them by the gaseous hydrocarbon molecules of the first gaseous flow to generate CO and H 2 .
  • the mixture of the first and second gaseous streams reduces, by the reducing elements (C and H 2 ) of the gas phase hydrocarbon molecules present in the first gas stream, C0 2 molecules present in the first gas stream and / or the second gas stream.
  • Controlled supply of excess O 2 molecules in the second gas stream achieves the oxycombustion of the amount of H 2 molecules required to compensate for the endothermy of the redox reactions and to maintain the temperature of said reactions, the third gaseous flow then comprising molecules of CO, H 2 and H 2 O at a temperature of between 1000 and 1200 ° C.
  • the first and second gaseous streams may comprise sulfur molecules of formula SO x .
  • These sulfur oxides are also deoxidized by the reducing elements (C and H 2 ) of the hydrocarbon molecules present in the first gas stream, during the redox reaction.
  • the process according to the invention may advantageously comprise an additional controlled injection of oxygen during the fixed carbon oxidation step present without the non-gaseous and non-gasifiable charge.
  • This oxygen injection generates the oxycombustion of said fixed carbons which makes it possible to raise and maintain the temperature of the second gaseous stream greater than 1000 - 1200 ° C.
  • This excess of 0 2 provides the energy necessary for the endothermy reduction of the CO 2 molecules by the reducing carbons of the hydrocarbon molecules present in the first gas stream, according to the reaction C + CO 2 -> 2CO + 172 kJ / mol .
  • the second gas stream may comprise O 2 molecules which will also partially oxidize the gas phase hydrocarbon molecules present in the first gas stream.
  • the CO 2 introduced in the gasification and oxidation stages is proportioned to supplement the CO 2 generated by oxycombustion during said steps to provide the correct amount of oxidants corresponding to the reducing hydrocarbon molecules, in the redox reaction generating the third stream, that is to say during the mixing step.
  • hydrocarbon molecules in the liquid phase may then be present with the fixed carbons (non-gasifiable raw materials) in the non-gaseous feedstock. These molecules will be totally oxidized, by 0 2 injected for this purpose. The oxycombustion of these molecules will instantaneously generate sufficient thermal energy in this oxidizing medium for the next gasifiable molecules to be gasified, also instantaneously.
  • the process according to the invention may comprise a temperature control, for example by computerized regulation, during each of the steps of the process according to the invention which makes it possible to regulate the amount of each constituent of each of the reactions carried out: 0 2 injected during the gasification and oxidation steps, the gaseous oxidation flow, the gaseous effluent used during the gasification, etc.
  • the process according to the invention comprises a mixture of the first gas stream and the second gas stream to obtain a third gas stream.
  • the method according to the invention may further comprise cooling the third gas stream obtained after mixing (and the redox reaction) of the first gas stream with the second gas stream.
  • This cooling makes it possible to carry out a recycling of the heat capacity (sensible heat) of the third gas flow and can advantageously be achieved by heat exchange with a gas flow of CO 2 .
  • the gas flow C0 2 thus heated can advantageously be used as an oxidation gas stream, and / or optionally as a gaseous effluent for the temperature rise of the hydrocarbonaceous materials, when the step of supplying the hydrocarbonaceous materials to the temperature self-ignition is carried out by mixing said hydrocarbon materials with a gaseous effluent consisting of C0 2 .
  • the method according to the invention makes it possible to recover the heat provided by the various reactions and to reuse this heat for the treatment of a new charge of hydrocarbon materials.
  • the overall yield of the process according to the invention is thus improved.
  • the method according to the invention may further comprise a separation of undesired molecules during or after the cooling step.
  • a separation can be carried out by condensation of the S 2 molecules, for example at a temperature below 440 ° C. and H 2 0 molecules at a temperature below 50 ° C.
  • the synthesis gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) present in the third gas stream, obtained by means of the process according to the invention, can be used in all existing systems with atmospheric combustion (oxidized under air) or in pure oxygen (oxycombustion) to obtain a gas stream comprising (or consisting of) of C0 2 and H 2 0.
  • a gas stream comprising (or consisting of) of C0 2 and H 2 0 can be is reused in the process according to the invention or in a microalgae reactor for the cultivation of microalgae.
  • a system for treating liquid and / or pasty hydrocarbonaceous materials, more particularly fuel oil, more particularly heavy fuel oil characterized in that it comprises:
  • ⁇ a first gas stream at a temperature above or equal to 800 ° C comprising molecules of CO, H 2 0, and possibly H 2 and hydrocarbon molecules in the gas phase, and
  • oxidation means for oxidizing said carbon elements in said non-gaseous feedstock with a gaseous flow, referred to as oxidation, at a temperature of between 500 ° C. and 800 ° C., consisting of C0 2 , and oxygen; (0 2 ), said oxidation producing a second gas stream consisting essentially of molecules of C0 2 , H 2 0 and optionally 0 2 at a temperature between 1000 ° C and 1200 ° C; and
  • the means for supplying said hydrocarbonaceous materials at a temperature greater than or equal to the self-ignition temperature of said hydrocarbonaceous materials may comprise means for mixing said hydrocarbonaceous materials with a gaseous effluent.
  • FIG. 1 is a representation of a system for treating hydrocarbonaceous materials according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first embodiment of an installation according to the invention implementing the system of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic representation of a second embodiment of an installation according to the invention implementing the system of FIG. 1.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a system for treating liquid and / or pasty hydrocarbon materials, and more particularly for converting liquid and / or pasty carbonaceous materials into a high energy synthesis gas.
  • the system 100 of FIG. 1 comprises an opening 102 for introducing hydrocarbonaceous materials onto one or more successive inclined perforated plates 104 intended to receive and distribute these liquid and / or pasty hydrocarbonaceous materials.
  • the system 100 further comprises an opening 106 for introducing a gaseous effluent at a temperature of at least 300 ° C., which may be a gas stream consisting of C0 2 or an exhaust gas of a heat engine or fumes. industrial gases or polluted gaseous effluents, etc.
  • the control of the temperature of the incoming gaseous effluent is carried out by a probe 108 acting on the means for regulating the temperature of said effluent.
  • the system 100 further comprises an opening 110 for the controlled injection of pure oxygen into the gaseous effluent before the perforated plates 104 when the gaseous effluent does not have enough free oxygen, for example when the gaseous effluent is C0 2 pure.
  • the introduction opening 106 of the gaseous effluent and the perforated plates 104 are arranged in such a way that the gaseous effluent to which oxygen is added passes through the perforated plates 104, through the perforations present in these plates 104, since anterior side to a posterior surface and mixes with the hydrocarbon materials on this posterior surface.
  • the mixture of the gaseous effluent with the hydrocarbonaceous materials carries the latter at a self-ignition temperature of at least 200 ° C.
  • the presence of free oxygen in the gaseous effluent makes it possible to initiate an oxycombustion reaction of the hydrocarbon compounds that are already at the autoignition temperature.
  • the distribution of the hydrocarbon materials on the perforated plates 104 is carried out so that the quantity of said materials, deposited on at least the first plate 104, is completely oxidized (complete oxyfuel combustion) and that the energy delivered corresponds to that useful for raising the temperature of the the gaseous effluent at at least 800 ° C by the 0 2 contained in said gaseous effluent.
  • the free oxygen of the gaseous effluent enters oxycombustion reaction with the hydrocarbon compound, itself brought to the temperature of its self-ignition by the hot gaseous effluent.
  • This oxycombustion is controlled by the amount of free oxygen present in the gaseous effluent passing through the first perforated plate 104.
  • the exotherm of this combustion contributes to raising the ambient temperature and that of the hydrocarbon material present on the second perforated plate 104.
  • the energy generated by the oxycombustion gas ifies a portion of the hydrocarbon material present on the second plate 104, as well as a purpose of oxyfuel combustion if there is residual oxygen in the gaseous effluent after the first oxycombustion performed between the first two perforated plates 104.
  • the amount of oxygen introduced through the orifice 108 can advantageously be defined so that there is an excess that oxidizes a portion of the hydrocarbonaceous material deposited on the second perforated plate 104 so that the energy delivered permits the gasification of a larger quantity of hydrocarbonaceous material deposited on a third (and possibly one-n-th) perforated plate 104.
  • the repetitive oxidations are calculated and controlled so that the sum of the energies delivered make it possible to carry out the gasification. fast and complete vaporizers contained in the defined quantity of hy hydrocarbon to gasify in the lapse of time, this gasification producing:
  • Non-gasifiable under the conditions of the process according to the invention materials commonly known as petroleum coke
  • solid or pasty hydrocarbon molecules may also be present in this gasification residual. These materials are then at a temperature greater than or equal to
  • the fact that the temperature of the first gas stream is greater than the temperature of the solid charge is explained by the fact that the elements oxygen, still present in the gaseous effluent, continue to oxidize gaseous hydrocarbon molecules after gasification of these molecules, downstream of the first perforated plates 104.
  • the system 100 further comprises, downstream perforated plates 104, a zone 112 called homogenization chamber provided to accommodate the first gas stream and to achieve expansion and homogenization of the first gas flow temperature.
  • This homogenization chamber 112 also comprises temperature probes 114, distributed on either side of the perforated plates 104, which control the rise of the temperature in the chamber 112 and between said perforated plates, when they have the purpose to allow additional oxycombustion that maintains the gasification temperature of the hydrocarbon materials. It is these temperature probes 108 and 14 that manage the electronic control of oxygen injection in the gaseous effluent through the injection opening 110 and by an injection opening 116 which opens into the homogenization chamber.
  • the introduction of oxygen is proportioned to the amount of hydrocarbon materials and / or hydrocarbon compounds that are to be converted, in order to obtain a first gaseous flow in the homogenization chamber 112 at a temperature of at least 800 ° C. Examples of proportions of oxygen introduced at this stage are given later in the case of a particular example of hydrocarbon molecules.
  • the system 100 further comprises an area 118, called the oxidation chamber, located at the bottom of the perforated plates 104 and into which said perforated plates 104 open.
  • This oxidation chamber 118 is designed to accommodate the non-gaseous charge, namely the Pasty and / or solid filler obtained beforehand, after gasification of the gasifiable part of the hydrocarbonaceous materials, this non-gaseous filler flowing by gravity on the perforated plate 104 to fall by gravity in the oxidation chamber 118.
  • the non-gaseous feed arriving in the oxidation chamber 118 is at a temperature above 400-500 ° C.
  • the system 100 also comprises an opening 120 for introducing a gaseous flow, called oxidation, consisting of C0 2 and O 2 into the oxidation chamber 118.
  • oxidation a gaseous flow
  • the gaseous oxidation flow has the role of oxidizing, by O 2 molecules, non-gaseous hydrocarbon molecules comprising fixed carbon elements, in the non-gaseous feedstock that enters the oxidation chamber by gravity.
  • the temperature of the chamber 118 is controlled by a probe 122 which acts on the admission of oxygen into said oxidation chamber via an injection opening 124.
  • the introduction of pure oxygen into the oxidation chamber 118 is intended to achieve the oxycombustion of the hydrocarbon molecules in the chamber 118, this oxycombustion is complete, the result is the generation of a second gas stream composed of C0 2 and H 2 0 and optionally residual 0 2 at the temperature greater than or equal to 1200 ° C.
  • This gas stream is thus coolant and reactive, its interaction / mixing with the first gas stream puts these two streams in a redox reaction condition.
  • the pure oxygen introduced into the oxidation chamber 118 produces an exothermic oxidation of the carbonaceous and / or hydrocarbon molecules.
  • the amount of oxygen introduced is controlled so that the contents of the oxidation chamber 118 are brought to a temperature of at least 1200 ° C.
  • a complement of oxygen may be introduced by the same channel to provide, where appropriate, the thermal generation means useful for the compensation of the endothermy reduction of CO 2 by the reducing carbons of the first gas stream.
  • proportions of oxygen introduced are given later in the case of a particular example of hydrocarbon molecules.
  • the oxidation gas stream may be a preheated stream in order to reduce the quantity of oxygen injected into the oxidation chamber 118.
  • Oxidation of the fixed carbons in the oxidation chamber 118 provides a second gas stream at a temperature greater than or equal to 1200 ° C, this gaseous flow comprises only C0 2 molecules and optionally H 2 0 molecules, oxygen molecules and sulfur molecules.
  • the oxidation also provides solid, incombustible and non-gasifiable residues such as minerals contained in the hydrocarbon raw materials, which are removed from the system by gravitation at the bottom of the oxidation chamber 118 by an airtight mechanism (not shown).
  • the system 100 further comprises an area 126, called a thermal conditioning chamber, which is the continuity of the oxidation chamber 118. It is configured to channel the flow of the second gas stream, generated in the oxidation chamber 118, to an area 128, called mixing chamber, where the mixing of the first gas stream and the second gas stream is carried out.
  • a thermal conditioning chamber which is the continuity of the oxidation chamber 118. It is configured to channel the flow of the second gas stream, generated in the oxidation chamber 118, to an area 128, called mixing chamber, where the mixing of the first gas stream and the second gas stream is carried out.
  • This thermal conditioning chamber 126 is the separation between the chambers 112 and 128, and is designed to constrain the flow of the first gas stream to the mixing chamber 128 by a tubular network 130 which passes through said conditioning chamber. 126 and allows the communication between the two chambers 112 and 128.
  • the tubular network 130 is disposed in the longitudinal direction of flow, without deviation, from the chamber 112 to the chamber 128 and perpendicular to the direction of flow of the second gas stream from chamber 118 to chamber 128, which flow follows a deviated path.
  • the role of the thermal conditioning chamber 126 is to carry out an indirect heat exchange, that is to say without contact, between the first gas flow and the second gas flow so that part of the heat of the second gas flow is transmitted to the first gas stream.
  • the thermal conditioning chamber 126 is therefore a heat exchanger in which the temperatures of the first and second gas flows are homogenized before they are combined in the mixing chamber 128 for the final redox conversion phase of the CO 2 (oxidants) of the second gas stream. the hydrocarbon molecules (reducing) of the first gas stream.
  • This thermal conditioning chamber 126 is composed of an envelope which forms a parallelepipedal box which occupies the entire surface of the system section. The volume of this box is closed on the 4 sides that follow the walls of the system 100, and the tubular network 130 is sealed on the side of the homogenization chamber 126.
  • the parallelepiped box is not secured to the vertical walls and upper of the system, in order to allow the expansion of said box (a minimum passage of the first gaseous flow is thus allowed on either side of this volume) said volume is devoid of bottom thus allowing communication with the oxidation chamber 118.
  • the wall of said parallelepiped box which separates the thermal conditioning chamber 126 from the mixing chamber 128 is configured for holding and expanding the tubes 132 forming the tube network 130 and arranged parallel to the direction of the first gaseous flow transiting the chamber homogenizing 112 to the mixing chamber 128, and perforated to allow the flow of the second gas stream, the conditioned chamber 126 in the mixing chamber 128.
  • the tubes 132 are sealed tightly on the wall of the parallelepipedic envelope, on the side of the homogenization chamber 112, and just maintained on the side of the mixing chamber 128. These tubes thus pass through the thermal conditioning chamber 126 on the other side. part and are intended to channel the first gas stream and to allow the passage of this first gas stream from the homogenization chamber 112 to the mixing chamber 128 while performing a heat exchange with the second gas stream which is channeled through the parallelepipedic form.
  • the wall in contact with the first gas stream coming from the homogenization chamber is at a temperature less than or equal to at 1200 ° C.
  • the parallelepipedal envelope is fitted unsealed to the walls of the system to manage the expansions, a part of the gaseous assembly coming from the homogenization chamber 112 can therefore pass through these interstices where the heat exchange takes place in contact with the walls.
  • of the envelope which channels the second gas flow at 1200 ° C.
  • the first gas stream and the second gas stream are at a temperature greater than 1000 ° C. while arriving in the mixing chamber 128.
  • the purpose of mixing the two gas streams is to complete the redox reaction by the hydrocarbon molecules found in the first gas stream:
  • gaseous hydrocarbon molecules are eminently inflammable, thus able to interact with any available oxygen atom, in particular the oxidizing molecules,
  • thermochemical reaction in the mixing chamber 128 controls and regulates the thermal needs and maintains the optimal conditions of the redox thermochemical reaction.
  • the controls of the parameters of the thermochemical reaction in the mixing chamber 128 are made by a temperature probe 134.
  • the mixing chamber 128 further includes a sample opening 136 for spectrometric analysis of the components of the third gas stream.
  • Each of the temperature probes used in the system 100 may be an infrared temperature probe.
  • the mixture of the two gas streams makes it possible to obtain a third gas stream, which is at a temperature of less than or equal to 1200 ° C. and which comprises molecules of CO, H 2 , H 2 O and optionally sulfur-based molecules of formulas. S x .
  • the system 100 comprises an opening 138 for extracting the third gas flow from the mixing chamber 128 outside the system 100.
  • the hydrocarbonaceous materials are brought to the autoignition temperature by mixing with a gaseous effluent.
  • the hydrocarbonaceous materials can be brought to the autoignition temperature. by indirect heating, that is to say without mixing with a gaseous effluent, for example by means of the first perforated plate which can be heated and which then heats the hydrocarbon materials.
  • the oxygen injection can be performed at the perforated plate, the perforations are no longer necessary.
  • gaseous effl uent is an exhaust effluent and / or industrial smoke:
  • the first gas stream comprises molecules of N 2 , O 2 , ⁇ , SO x , CO, CO 2 , H 2 O and gaseous hydrocarbon molecules. These molecules homogenize, in temperature and distribution, in the homogenization chamber before their aspiration into the mixing chamber;
  • the second gas stream comprises molecules of CO 2 , O 2 , optionally H 2 O and optionally sulfur molecules of formulas SO x ;
  • the third gas stream comprises molecules of N 2 , S 2 , CO, H 2 and H 2 O and sulfur molecules of formulas S x .
  • the first gas stream comprises molecules of CO 2 , CO, H 2 O and gaseous hydrocarbon molecules. These molecules homogenize, in temperature and distribution, in the homogenization chamber before their aspiration into the mixing chamber;
  • the second gas stream comprises molecules of CO 2 , O 2 , optionally H 2 O and optionally sulfur molecules of formulas SO x ;
  • the third gas stream comprises molecules of CO, H 2 and H 2 O and sulfur molecules of formulas S x .
  • no gaseous effluent is used to bring the hydrocarbon materials to the self-ignition temperature:
  • the first gaseous stream comprises gaseous hydrocarbon molecules and CO and H 2 O molecules. These molecules homogenize, in temperature and distribution, in the homogenization chamber before they are drawn into the mixing chamber;
  • the second gas stream comprises C0 2 molecules
  • the third gas stream comprises molecules of CO, H 2 and H 2 O and sulfur molecules of formulas S x .
  • the process according to the invention applies more particularly to all liquid and / or pasty materials whose hydrocarbon molecules are multi-carbon (C n ) lower and / or higher than Ci 6 .
  • Carbon aerosol particles, CO and H 2 molecules can be found in the first gas flow depending on interactions and redox reactions related to the regulation of the temperature of the medium; depending on the temperature increases, H 2 0 can be reduced by (C) reducing agent (present in the aerosol gas stream after the oxy-dehydrogenation of the hexadecane molecule), this reaction being endothermic it regulates any increase Inadvertent temperature of the medium, the reaction stops as soon as the temperature drops below the threshold of reaction redox or that there is more reducing carbon.
  • the first gaseous flow at a temperature> 800 ° C and the second gaseous flow at a temperature> 1200 ° C are introduced into the mixing chamber via a room called "thermal conditioning" (a heat exchanger open on the three rooms without direct communication between flows 1 and 2) where the temperature of the two flows will homogenize
  • the sensible heat of the third gas stream represents an energy> 1114 kJ, recycled in the system for the cycle following this energy is deduced from that produced for the various actions / reactions, saving oxygen and hydrogen; the energy saved is reflected by additional H 2 molecules in the syngas, the PCS of these molecules carries the syngas SSC at 4117.70 kJ, or 99.99% of the potential energy of the raw material.
  • the effluent used is an exhaust gas and / or industrial gaseous effluents from an atmospheric combustion of any fuel
  • the effluent is at a certain temperature (therefore has a recyclable heat capacity) and will be heated to a temperature of at least 300 ° C if necessary
  • the effluent is composed of N 2 , H 2 O, CO 2 , CO, O 2 , organic particles (most often carbonated, therefore combustible), NOx and possibly SOx
  • the method according to the invention consists in carrying out a numerical analysis of the oxygen elements contained in the effluent, in the form of O 2 and / or elemental oxides and to establish the relationship between this digitization and the quantity of oxygen involved in the reaction described in the preceding paragraph, so that the proportion (and the corresponding volume of effluent) corresponds to a mole of Ci 6 H 34 .
  • the reactions produce a first gas stream which comprises the same molecules as in the previous description with the nitrogen molecules (N 2 ) contained in the relative volume (to one mole of hexadecane) of initial effluent; to the molecule found in the natural N 2 form is added the nitrogen molecule, present in the effluent in the state of elemental oxide (NOx), which will eventually be (at this first redox reaction) reduced to contact of the mole of hexadecane, itself brought to the autoignition temperature by the gaseous effluent, by oxidizing the hydrogen of said molecule Ci 6 H 34 and thus achieving a part of exo-energetic oxido-dehydrogenation that the addition of oxygen generates in the preceding description.
  • NOx elemental oxide
  • Nitrogen will be a neutral "ballast" volume in the use that will be made of the syngas contained in said third stream. This volume can be proportionate at will by varying the proportion of initial effluent per mole of hexadecane downwards.
  • FIG. 2 is a schematic representation of an installation according to the invention implementing the system 100 of FIG. 1 in the case where the gaseous effluent is an exhaust gas.
  • the installation 200 comprises: a supply circuit 202 of the exhaust gas in the system 100,
  • the installation further comprises a heat exchanger 212, connected to the recovery circuit 210 to perform a heat exchange between the third gas flow and liquid or cold CO 2 .
  • This heat exchange makes it possible to carry out:
  • the sulfur molecules condensed / separated from the third gas stream are recovered by a recovery circuit 214, the condensed / separated water is recovered by a water recovery circuit 216 and the hot C0 2 obtained has entered the supply circuit 210 of the gaseous oxidation stream in the system.
  • the heat exchanger 212 provides a fourth gas stream comprising only CO and N 2 molecules.
  • the installation 200 furthermore comprises an electricity cogeneration device 218 in which the fourth gas stream is oxidized by pure oxygen O 2 and which supplies a fifth gas stream comprising only C0 2 and molecules of formulas N 2 .
  • This fifth gas stream is supplied to a microalgae reactor 220 for the cultivation of microalgae and provides oxygen by photosynthesis and microalgae which represent biomass recoverable by combustion or treatment under C0 2 .
  • the oxygen supplied by the microalgae reactor 220 can be reused in the method, system and installation according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of another example of an installation according to the invention implementing the system 100 of FIG. 1 in the case where the gaseous effluent is a gaseous flow of pure CO 2 .
  • the installation 300 shown in FIG. 3 is identical to the installation 200 of FIG. 2, except that the fourth gas flow comprises only CO and when it is operated under pure oxygen in the electricity cogeneration device. 218, the fifth gas stream comprises only C0 2 .
  • this fifth gas stream which comprises only CO 2 is used in the microalgae reactor 220.
  • Another part of the fifth gas stream comprising only CO 2 recovered by a recycling circuit 302, is reused as a gas stream and of oxidation and / or as a gaseous effluent in the system 100.
  • the invention is not limited to the examples which have just been described.

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Description

« Procédé, système et installation de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses »
L'invention concerne un procédé de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses. Elle concerne également un système mettant en œuvre un tel procédé et une installation mettant en œuvre un tel système.
Le domaine de l'invention est le domaine du traitement des matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses, plus particulièrement du fuel-Oil et encore plus particulièrement de fuel-Oil lourd, par exemple de fuel-Oil lourd de catégorie 2 ou supérieure, des sables bitumineux ou encore des terres polluées par les hydrocarbures. L'invention porte en particulier sur la transformation de matières hydrocarbonées en gaz de synthèse à forte valeur énergétique, tel qu'un gaz de synthèse comprenant du H2 et du CO.
Le fuel-Oil lourd, par exemple, d'aspect pâteux visqueux d'origine, est actuellement utilisé dans des moteurs diesel . Il comprend une partie liquide et une partie solide. Avant son utilisation dans les moteurs diesel, il est nécessaire de séparer la partie solide de la partie liquide par un traitement thermique préalable par un dispositif de traitement thermique dans des systèmes de décantation et ensuite par centrifugation à 80/100°C. C'est uniquement la partie liquide qui est utilisée comme carburant dans les moteurs thermiques diesel. La partie solide, riche en composés hydrocarbonés, n'est pas valorisée. Or, la nécessité des traitements thermomécaniques préalables du fuel-Oil lourd en vue de l'utilisation de la partie liquide uniquement pénalise le rendement global. C'est pourquoi le fuel-Oil lourd n'est que rarement utilisé en dépit de sa disponibilité.
En ce qui concerne les fuel-oils lourds de catégorie 2 au moins, les sables bitumineux ou les terres polluées par les hydrocarbures, aucune utilisation intéressante n'est connue en termes de rendement en vue de valoriser l'énergie potentielle de ces matières riches en composés hydrocarbonés. Ces matières constituent actuellement des déchets polluants qu'il est nécessaire de traiter en vue de leur élimination sans ou avec peu de récupération d'énergie.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients précités.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé et système de de traitement de matières hydrocarbonées présentant un rendement global plus élevé que les procédés et systèmes actuels.
Encore un autre but de l'invention est de proposer un procédé et un système de traitement de matières hydrocarbonées permettant de valoriser énergétiquement des matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses inexploitables avec les procédés et systèmes de traitement existants.
Enfin, un autre but de la présente invention est de proposer un procédé et un système de traitement de matières hydrocarbonées permettant de transformer les matières hydrocarbonées en une source d'énergie exploitable par des dispositifs existants.
L'invention permet d'atteindre au moins un des buts précités par un procédé de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses, plus particulièrement de fuel-Oil, encore plus particulièrement de fuel-Oil lourd, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- amenée desdites matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation desdites matières hydrocarbonées, par exemple supérieure ou égale à 200°C ;
- gazéification desdites matières hydrocarbonées par injection d'une quantité contrôlée d'oxygène, qui provoque une oxycombustion partielle des hydrocarbones, ladite gazéification produisant :
■ un premier flux gazeux à une température supérieure ou égale à 800°C comprenant des molécules de CO, de de H20, des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse et éventuellement des molécules de H2, et ■ une charge non gazeuse comprenant des molécules hydrocarbonées non gazeuses, plus particulièrement solides ;
- oxydation desdites molécules hydrocarbonées non gazeuses se trouvant dans ladite charge non gazeuse, par un flux gazeux, dit d'oxydation, constitué d'02 et de C02 à une température comprise entre 1000°C et 1200°C, ladite oxydation produisant un deuxième flux gazeux comprenant des molécules de C02, 02 et de H20 ;
- mélange dudit premier et dudit deuxième flux gazeux, ledit mélange provoquant l'oxydation desdites molécules hydrocarbonées en phase gazeuse présentes dans le premier flux gazeux par des molécules de C02 et 02 présentes dans le deuxième flux gazeux, ledit mélange produisant un troisième flux gazeux comprenant des molécules de CO, de H20 et éventuellement des molécules de H2.
Le deuxième flux gazeux est exclusivement composé d'oxydants hyper-réactifs dont l'objet est de parfaire la réaction rédox en les réduisant par les molécules hydrocarbonées gazeuses du premier flux gazeux pour générer du CO et éventuellement du H2 .
Ainsi, le procédé selon l'invention permet de parfaire la conversion des molécules hydrocarbonées en CO et H2 qui est un gaz de synthèse à forte valeur énergétique et d'augmenter la quantité de matières hydrocarbonées converties et par conséquent le rendement global du procédé.
Le monoxyde de carbone est un gaz à forte valeur énergétique et dont l'énergie peut être exploitée par les dispositifs actuels.
Le procédé selon l'invention permet de valoriser la partie volatile d'une matière hydrocarbonée par injection d'oxygène et réaction "rédox" par un oxydant (par exemple le C02 ou tout autre oxyde gazeux (NOx, SOx, etc.) et/ou solide : NiO, CaO, FeO, etc. que l'on trouve dans les matières polluées par les hydrocarbures et/ou dans les effluents gazeux pour obtenir un flux gazeux comprenant du monoxyde de carbone.
Le procédé selon l'invention permet, contrairement aux procédés et dispositifs actuels, de valoriser également la partie non gazeuse, c'est-à- dire la partie solide, de la matière hydrocarbonée pour produire, avec les éléments de carbone présents dans cette partie solide, un deuxième flux gazeux composé essentiellement de dioxyde de carbone (C02) réactif à une température comprise entre 1000°C et 1200°C qui est ensuite utilisé pour réduire les molécules hydrocarbonées gazeuses présentes dans le premier flux gazeux et d'augmenter la quantité de monoxyde de carbone présente dans le troisième flux gazeux.
Le procédé selon l'invention permet donc de valoriser une plus grande quantité d'une charge donnée de matière hydrocarbonée en comparaison avec les procédés et systèmes actuels, de sorte que le rendement global du procédé selon l'invention est plus grand que le rendement global des procédés et systèmes de l'état de la technique.
De plus, il est possible avec le procédé selon l'invention de convertir des matières hydrocarbonées qui sont inexploitables avec les dispositifs actuels, telles que les sables bitumineux et les terres polluées par les hydrocarbures, en un flux gazeux qui peut être exploité par les dispositifs actuels.
Selon l'invention, l'injection d'02 lors de l'étape de gazéification est réalisée de sorte que l'oxycombustion de l'hydrogène de la molécule hydrocarbonée génère l'énergie pour élever la température du milieu et fournir un premier flux gazeux à une température de 800°C minimum.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape de conditionnement thermique du premier flux gazeux avant le mélange du premier flux gazeux avec le deuxième flux gazeux.
Un tel conditionnement thermique peut comprendre, et plus particulièrement consiste en, un échange de chaleur entre le premier flux gazeux et le deuxième flux gazeux par exemple au travers d'un échangeur de chaleur.
Dans un mode de réalisation particulier, l'étape d'amenée des matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation peut être réalisée par chauffage indirect desdites matières hydrocarbonées, par exemple par échange thermique avec un flux gazeux chaud dans un échangeur de chaleur ou par chauffage électrique ou partout autre moyen équivalent.
Un tel flux gazeux peut être le troisième flux gazeux, utilisé pour chauffer les matières hydrocarbonées avant d'être utilisé comme gaz de synthèse source d'énergie et/ou base moléculaire pour d'autres combinaisons de synthèse. Dans un mode de réalisation préférentiel du procédé selon l'invention, l'étape d'amenée des matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation peut être réalisée par mélange desdites matières hydrocarbonées avec un effluent gazeux présentant une température supérieure ou égale à la température des matières hydrocarbonées, par exemple une température supérieure ou égale à 200°C, et préférentiellement supérieure ou égale à 300°C.
L'oxygène utilisé pour la gazéification est injecté directement dans l'effluent gazeux avant que celui-ci soit mélangé aux matières hydrocarbonées, le but étant de provoquer une oxycombustion primaire des hydrocarbonés afin d'élever la température de l'ensemble à une température supérieure ou égale 800°C qui favorise la pyrolyse des dites matières hydrocarbonées.
Dans une version particulièrement avantageuse, l'effluent gazeux peut être un gaz d'échappement d'un dispositif de combustion de fuel, tel qu'un moteur thermique, un tel gaz d'échappement comprenant du N2, C02, ΝΟχ, SOx, CO, des particules organiques et de l'02. Un tel gaz d'échappement peut également être constitué de ou comprendre des fumées industrielles.
Cette version du procédé selon l'invention est particulièrement avantageuse car dans cette version le procédé selon l'invention permet de traiter un gaz d'échappement en vue de récupérer :
- l'énergie thermique représentée par la température d'un tel gaz d'échappement pour chauffer les matières hydrocarbonées, et
- l'énergie représentée par les molécules de CO (et les particules carbonées combustibles qui seront oxydées en CO) présentes dans le gaz d'échappement, ces molécules de CO étant récupérées à la fin du procédé selon l'invention.
Dans cette version, le gaz d'échappement est, d'origine ou élevé par tous moyens (comme précisé précédemment), à une température préférentielle de 300°C au minimum. Le gaz d'échappement composé des gaz de combustion comprenant du N2, C02, NOx, SOx, CO, diverses particules aérosols et d'oxygène excédentaire est utilisé pour amener les matières hydrocarbonées à une température d'auto-inflammation.
Le premier flux gazeux, est alors composé des molécules du gaz d'échappement : N2, C02 (en partie convertis en CO par la réduction des carbones des molécules hydrocarbonées oxy-comburées), NOx, SOx, CO, H20 (provenant de l'oxydo-déshydrogénation exo-énergétique desdites molécules hydrocarbonées), CO provenant de la réduction-Rédox des carbones des molécules déshydrogénées par des C02 oxydants présents dans le gaz d'échappement, des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse, et éventuellement des molécules de H2.
L'oxycombustion de l'hydrogène de la molécule hydrocarbonée génère l'énergie pour élever la température du milieu, initier la réaction rédox des oxydants, présents dans le flux gazeux, sur les carbones déjà en état de réducteur et fournir un premier flux gazeux à une température de 800°C minimum.
Dans cette version préférentielle du procédé selon l'invention, le mélange du premier et du deuxième flux gazeux réalise la désoxydation, par les molécules hydrocarbonées gazeuses présentes dans le premier flux gazeux, des molécules de NOx et SOx présents dans le premier flux gazeux et des molécules de C02 et 02 présentes dans le deuxième flux gazeux, le troisième flux gazeux comprenant alors les molécules suivantes : N2, S2, CO, H20, et éventuellement des molécules de C02 et H2 à une température comprise entre 1000 et 1200°C.
Ainsi, dans cette version particulièrement avantageuse, le procédé selon l'invention permet également de craquer et de réduire des molécules particulièrement pollueuses présentes dans le gaz d'échappement, telles que les molécules de NOx et SOx, que l'on évacuera sous forme de N2 dans l'azote présent dans l'effluent traité et le souffre qui sera récupéré en amont au cours d'une phase de refroidissement.
Dans une deuxième version particulièrement avantageuse, le procédé selon l'invention peut avoir pour objectif de réaliser la conversion du C02 par des matières hydrocarbonées en gaz de synthèse (CO et H2). Ce syngaz est alors utilisable dans des systèmes classiques existants (alors que les matières hydrocarbonées de base peuvent ne pas être exploitables sans un traitement difficilement viable).
Dans ce cas, l'effluent gazeux peut être un flux gazeux constitué de C02. Dans ce cas, l'oxygène ajouté audit effluent gazeux est proportionné à la quantité de molécules hydrocarbonées à oxyder pour générer l'énergie de gazéification (pyrolyse) des matières hydrocarbonées.
Cette deuxième version du procédé selon l'invention permet d'augmenter la concentration du premier flux gazeux en CO. Par ailleurs, dans cette version le premier flux gazeux peut également comprendre du H2 qui est également un gaz à forte valeur énergétique.
En effet, dans cette deuxième version avantageuse, le premier flux gazeux comprend des molécules de CO, H2, H20 et des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse et éventuellement des molécules de C02.
L'oxycombustion de l'hydrogène moléculaire de la molécule hydrocarbonée génère l'énergie pour élever la température du milieu et amorcer la réaction rédox et fournir un premier flux gazeux à une température de 800°C minimum.
Dans cette deuxième version, le deuxième flux gazeux comprend des molécules de C02, 02 et de H20. Ce deuxième flux gazeux est exclusivement composé d'oxydants hyper-réactifs dont l'objet est de parfaire la réaction rédox en les réduisant par les molécules hydrocarbonées gazeuses du premier flux gazeux pour générer du CO et du H2. Ainsi le mélange du premier et du deuxième flux gazeux réalise la réduction, par les éléments réducteurs (C et H2) des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse présentes dans le premier flux gazeux, des molécules de C02 présentes dans le premier flux gazeux et/ou le deuxième flux gazeux. L'apport contrôlé de molécules d' 02 excédentaires dans le deuxième flux gazeux réalise l'oxycombustion de la quantité de molécules de H2 nécessaires à la compensation de l'endothermie des réactions rédox et au maintien de la température desdites réactions, le troisième flux gazeux comprenant alors des molécules de CO, H2 et H20 à une température comprise entre 1000 et 1200°C.
Bien entendu dans tous les modes de réalisation, le premier et le deuxième flux gazeux peuvent comprendre des molécules soufrées de formule SOx. Ces oxydes de soufre sont également désoxydés par les éléments réducteurs (C et H2) des molécules hydrocarbonées présentes dans le premier flux gazeux, au cours de la réaction rédox.
Le procédé selon l'invention peut avantageusement comprendre une injection supplémentaire, contrôlée, d'oxygène lors de l'étape d'oxydation de carbones fixes présent sans la charge non gazeuse et non gazéifiables.
Cette injection d'oxygène génère l'oxycombustion desdits carbones fixes qui permet d'élever et de maintenir la température du deuxième flux gazeux supérieure à 1000 - 1200°C. Cet excès d'02 fournit l'énergie nécessaire à l'endothermie de réduction des molécules de C02 par les carbones réducteurs des molécules hydrocarbonées présentes dans le premier flux gazeux, selon la réaction C+C02 -> 2CO+ 172 kJ/mol. Dans ce cas, le deuxième flux gazeux peut comprendre des molécules d'02 qui oxyderont également en partie les molécules hydrocarbonées en phase gazeuse présentes dans le premier flux gazeux.
Dans tous les cas, le C02 introduit dans les étapes de gazéification et d'oxydation est proportionné pour complémenter le C02 généré par oxycombustion lors desdites étapes pour fournir la juste quantité d'oxydants correspondants aux molécules hydrocarbonées réductrices, dans la réaction rédox générant le troisième flux, c'est-à-dire lors de l'étape de mélange.
Dans tous les cas, il se peut que la réaction de gazéification ne soit pas réalisée de manière complète, des molécules hydrocarbonées en phase liquides peuvent être alors présentes avec les carbones fixes (non gazéifiables des matières premières) dans la charge non gazeuse. Ces molécules seront totalement oxydées, par 02 injecté à cette fin. L'oxycombustion de ces molécules générera, instantanément, l'énergie thermique suffisante, dans ce milieu oxydant, pour que les molécules gazéifiables suivantes soient gazéifiées, aussi instantanément.
Le procédé selon l'invention peut comprendre un contrôle des températures, par exemple par régulation informatisée, lors de chacune des étapes du procédé selon l'invention qui permette de réguler la quantité de chaque constituant de chacune des réactions réalisées : 02 injecté lors des étapes de gazéification et d'oxydation, le flux gazeux d'oxydation, l'effluent gazeux utilisé lors de la gazéification, etc.
Dans tous les cas le procédé selon l'invention comprend un mélange du premier flux gazeux et du deuxième flux gazeux pour obtenir un troisième flux gazeux.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre un refroidissement du troisième flux gazeux obtenu après le mélange (et la réaction rédox) du premier flux gazeux avec le deuxième flux gazeux. Ce refroidissement permet de réaliser un recyclage de la capacité thermique (chaleur sensible) du troisième flux gazeux et peut avantageusement être réalisé par échange thermique avec un flux gazeux de C02. Le flux gazeux de C02 ainsi chauffé peut avantageusement être utilisé en tant que flux gazeux d'oxydation, et/ou éventuellement en tant qu'effluent gazeux pour la montée en température des matières hydrocarbonées, lorsque l'étape d'amenée des matières hydrocarbonées à la température d'auto- inflammation est réalisée par mélange desdites matières hydrocarbonées avec un effluent gazeux constitué de C02.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet de réaliser une récupération de la chaleur fournie par les différentes réactions et de réutiliser cette chaleur pour le traitement d'une nouvelle charge de matières hydrocarbonées. Le rendement global du procédé selon l'invention est ainsi amélioré.
Le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une séparation des molécules non désirées lors ou après l'étape de refroidissement. Une telle séparation peut être réalisée par condensation des molécules de S2, par exemple à température inférieure à 440°C et des molécules H20 à température inférieure à 50°C.
Le gaz de synthèse, comprenant le monoxyde de carbone (CO) et l'hydrogène (H2) présents dans le troisième flux gazeux, obtenu grâce au procédé selon l'invention, peut être exploité dans tous systèmes existants à combustion atmosphérique (oxydé sous air) ou sous oxygène pur (oxycombustion) en vue d'obtenir un flux gazeux comprenant (ou consistant en) du C02 et H20. Un tel flux gazeux comprenant (ou consistant en) du C02 et H20 peut être soit réutilisé dans le procédé selon l'invention ou dans un réacteur de microalgues pour la culture de microalgues.
Selon un autre aspect de l'invention il est proposé un système de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses, plus particulièrement de fuel-oil, encore plus particulièrement de fuel-oil lourd, caractérisé en ce qu'il comprend :
- des moyens d'amenée desdites matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto- inflammation desdites matières hydrocarbonées, par exemple supérieure ou égale à 200°C ;
- des moyens de gazéification desdites matières hydrocarbonées par injection d'une quantité contrôlée d'oxygène, ladite gazéification produisant :
■ un premier flux gazeux à une température supérieure ou égale à 800°C comprenant des molécules de CO, de H20, éventuellement de H2 et des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse, et
■ une charge non gazeuse comprenant des molécules hydrocarbonées non gazeuses ; et
- des moyens d'oxydation desdits éléments de carbone se trouvant dans ladite charge non gazeuse, par un flux gazeux, dit d'oxydation, à une température comprise entre 500°C et 800°C, constitué de C02, et d'oxygène (02), ladite oxydation produisant un deuxième flux gazeux constitué essentiellement de molécules de C02, de H20 et éventuellement d'02 à une température comprise entre 1000°C et 1200°C ; et
- des moyens pour mélanger ledit premier et ledit deuxième flux gazeux, ledit mélange fournissant un troisième flux gazeux comprenant des molécules de CO, de H20 et éventuellement de H2.
Dans un mode de réalisation particulier, les moyens d'amenée desdites matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation desdites matières hydrocarbonées peuvent comprendre des moyens de mélange desdites matières hydrocarbonées avec un effluent gazeux. Selon encore un autre aspect de l'invention il est proposé une installation de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses comprenant :
- un système selon l'invention, et - des moyens de récupération d'au moins une partie de la chaleur du troisième flux gazeux
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- la FIGURE 1 est une représentation d'un système de traitement de matières hydrocarbonées selon l'invention ;
- la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'une installation selon l'invention mettant en œuvre le système de la figure 1 ; et
- la FIGURE 3 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'une installation selon l'invention mettant en œuvre le système de la figure 1.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite, isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si c'est cette partie qui est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures gardent la même référence.
La figure 1 est une représentation schématique d'un système de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses, et plus particulièrement de conversion de matières h ydro carbonées liquides et/ou pâteuses en un gaz de synthèse à forte valeur énergétique.
Le système 100 de la figure 1 comprend une ouverture 102 d'introduction de matières hydrocarbonées sur une ou plusieurs plaques perforées 104 inclinées, successives, prévues pour recevoir et répartir ces matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses.
Le système 100 comprend en outre une ouverture 106 d'introduction d'un effluent gazeux à une température de 300°C minimum, qui peut être un flux gazeux constitué de C02 ou un gaz d'échappement d'un moteur thermique ou des fumées industrielles ou des effluents gazeux pollués, etc. Le contrôle de la température de l'effluent gazeux entrant est effectué par une sonde 108 agissant sur les moyens de régulation de la température dudit effluent.
Le système 100 comprend en outre une ouverture 110 d'injection contrôlée d'oxygène pur dans l'effluent gazeux avant les plaques perforées 104 lorsque l'effluent gazeux ne comporte pas suffisamment d'oxygène libre, par exemple lorsque l'effluent gazeux est du C02 pur.
L'ouverture d'introduction 106 de l'effluent gazeux et les plaques perforées 104 sont agencées de sorte que l'effluent gazeux auquel est ajouté de l'oxygène traverse les plaques perforées 104, par les perforations présentes dans ces plaques 104, depuis une face antérieure vers une face postérieure et se mélange avec les matières hydrocarbonées se trouvant sur cette face postérieure.
Le mélange de l'effluent gazeux avec les matières hydrocarbonées porte ces dernières à une température d'auto-inflammation d'au moins 200°C. La présence d'oxygène libre dans l'effluent gazeux permet d'initier une réaction d'oxycombustion des composés hydrocarbonés qui sont déjà à la température d'auto-inflammation. La répartition des matières hydrocarbonées sur les plaques perforées 104 est effectuée afin que la quantité desdites matières, déposée sur au moins la première plaque 104, soit complètement oxydée (oxycombustion complète) et que l'énergie délivrée corresponde à celle utile pour élever la température de l'effluent gazeux à au moins 800°C par l'02 contenue dans ledit effluent gazeux. L'oxygène libre de l'effluent gazeux entre en réaction d'oxycombustion avec le composé hydrocarboné, lui-même porté à la température de son auto-inflammation par l'effluent gazeux chaud. Cette oxycombustion est contrôlée par la quantité d'oxygène libre présente dans l'effluent gazeux traversant la première plaque perforée 104. L'exothermie de cette combustion contribue à élever la température ambiante et celle de la matière hydrocarbonée présente sur la seconde plaque perforée 104.
L'énergie générée par l'oxycombustion réalise une gazéification d'une partie de la matière hydrocarbonée présente sur la seconde plaque 104, ainsi qu'une finalité d'oxycombustion si il y a de l'oxygène résiduel dans l'effluent gazeux après la première oxycombustion réalisée entre les deux premières plaques perforées 104. La quantité d'oxygène introduite par l'orifice 108 peut avantageusement être définie pour qu'il y ait un excès qui oxyde une partie des matières hydrocarbonées déposées sur la seconde plaque perforée 104 afin que l'énergie délivrée permette la gazéification d'une plus importante quantité de matières hydrocarbonées déposées sur une troisième (et éventuellement une énième) plaque perforée 104. Ainsi les oxydations répétitives sont calculées et contrôlées pour que la somme des énergies délivrées permettent de réaliser la gazéification rapide et complète des vaporisables contenus dans la quantité définie de matière hydrocarbonée à gazéifier dans le laps de temps, cette gazéification produisant :
un premier flux gazeux à une température supérieure ou égale à 800°C, et
- une charge solide, comprenant des éléments de carbone fixe
(non gazéifiables dans les conditions du procédé selon l'invention, matières communément appelées coke de pétrole), des molécules hydrocarbonées solides ou pâteuses peuvent aussi être présentes dans ce résiduel de gazéification. Ces matières sont alors à une température supérieure ou égale
400/500°C.
Le fait que la température du premier flux gazeux soit supérieure à la température de la charge solide s'explique par le fait que les éléments d'oxygène, encore présents dans l'effluent gazeux, continuent à oxyder des molécules hydrocarbonées gazeuses après la gazéification de ces molécules, en aval des premières plaques perforées 104.
Le système 100 comprend en outre, en aval des plaques perforées 104, une zone 112 appelée chambre d'homogénéisation prévue pour accueillir le premier flux gazeux et pour réaliser la détente et l'homogénéisation du premier flux gazeux en température.
Cette chambre d'homogénéisation 112 comprend également des sondes de température 114, réparties de part et d'autre des plaques perforées 104, qui contrôlent l'élévation de la température dans la chambre 112 et entre lesdites plaques perforées, lorsqu'elles ont pour objet de permettre une oxycombustion supplémentaire qui maintienne la température de gazéification des matières hydrocarbonées. Ce sont ces sondes de température 108 etl l4 qui gèrent la commande électronique d'injection d'oxygène dans l'effluent gazeux par l'ouverture d'injection 110 et par une ouverture d'injection 116 qui débouche dans la chambre d'homogénéisation.
L'introduction d'oxygène, par l'admission de l'effluent gazeux primaire, est proportionnée à la quantité de matières hydrocarbonées et/ou des composés hydrocarbonés que l'on veut convertir, en vue d'obtenir un premier flux gazeux dans la chambre d'homogénéisation 112 à une température de 800°C au moins. Des exemples de proportions d'oxygène introduit à ce stade sont donnés plus loin dans le cas d'un exemple particulier de molécules hydrocarbonées.
Le système 100 comprend en outre une zone 118, appelée chambre d'oxydation, située au bas des plaques perforées 104 et dans laquelle débouchent lesdites plaques perforées 104. Cette chambre d'oxydation 118 est prévue pour accueillir la charge non gazeuse, à savoir la charge pâteuse et/ou solide obtenue préalablement, après gazéification de la part gazéifiable des matières hydrocarbonées, cette charge non gazeuse s'écoulant par gravité sur la plaque perforée 104 pour tomber par gravité dans la chambre d'oxydation 118. La charge non gazeuse arrivant dans la chambre d'oxydation 118 est à une température supérieure à 400-500 °C.
Le système 100 comprend également une ouverture 120 d'introduction d'un flux gazeux, dit d'oxydation, constitué de C02 et d'02 dans la chambre d'oxydation 118. Le flux gazeux d'oxydation a pour rôle d'oxyder, par des molécules d'02, les molécules hydrocarbonées non gazeuses comprenant des éléments de carbone fixe, se trouvant dans la charge non gazeuse qui arrive dans la chambre d'oxydation par gravité. La température de la chambre 118 est contrôlée par une sonde 122 qui agit sur l'admission d'oxygène dans ladite chambre d'oxydation par une ouverture d'injection 124.
L'introduction d'oxygène pur dans la chambre d'oxydation 118 a pour objet de réaliser l'oxycombustion des molécules hydrocarbonées se trouvant dans la chambre 118, cette oxycombustion est complète, le résultat est la génération d'un deuxième flux gazeux composé de C02 et H20 et éventuellement de l'02 résiduel à la température supérieure ou égale à 1200°C. Ce flux gazeux est ainsi caloporteur et réactif, son interaction/mélange avec le premier flux gazeux met ces deux flux en condition de réaction rédox. En effet, l'oxygène pur introduit dans la chambre d'oxydation 118 réalise une oxydation exothermique des molécules carbonées et/ou hydrocarbonées. La quantité d'oxygène introduite est contrôlée de sorte que le contenu de la chambre d'oxydation 118 soit porté à une température d'au moins 1200°C. Un complément d'oxygène peut être introduit par le même canal pour fournir, le cas échéant, le moyen de génération thermique utile à la compensation de l'endothermie de réduction du C02 par les carbones réducteurs du premier flux gazeux. Des exemples de proportions d'oxygène introduit sont donnés plus loin dans le cas d'un exemple particulier de molécules hydrocarbonées.
Par ailleurs, le flux gazeux d'oxydation peut être un flux préalablement chauffé en vue de diminuer la quantité d'oxygène injecté dans la chambre d'oxydation 118.
L'oxydation des carbones fixes dans la chambre d'oxydation 118 fournit un deuxième flux gazeux à une température supérieure ou égale à 1200°C, ce flux gazeux comprend uniquement des molécules de C02 et éventuellement des molécules de H20, des molécules d'oxygène et des molécules soufrées. L'oxydation fournit également des résidus solides, incombustibles et non gazéifiables tels que des minéraux contenus dans les matières premières hydrocarbonées, qui sont évacués hors du système par gravitation au bas de la chambre d'oxydation 118 par un mécanisme étanche à l'air (non représenté).
Le système 100 comprend en outre une zone 126, appelée chambre de conditionnement thermique, qui est la continuité de la chambre d'oxydation 118. Elle est configurée pour canaliser l'écoulement du deuxième flux gazeux, généré dans la chambre d'oxydation 118, vers une zone 128, dite chambre de mélange, où se réalise le mélange du premier flux gazeux et du deuxième flux gazeux.
Cette chambre de conditionnement thermique 126 est la séparation entre les chambres 112 et 128, et elle est conçue de manière à contraindre l'écoulement du premier flux gazeux, vers la chambre de mélange 128, par un réseau tubulaire 130 qui traverse ladite chambre de conditionnement thermique 126 et permet la communication entre les deux chambres 112 et 128. Le réseau tubulaire 130 est disposé dans le sens longitudinal d'écoulement, sans déviation, de la chambre 112 à la chambre 128 et perpendiculairement au sens d'écoulement du deuxième flux gazeux, de la chambre 118 à la chambre 128, lequel écoulement suit une trajectoire déviée. La chambre de conditionnement thermique 126 a pour rôle de réaliser un échange thermique indirect, c'est-à-dire sans contact, entre le premier flux gazeux et le deuxième flux gazeux de sorte qu'une partie de la chaleur du deuxième flux gazeux est transmise au premier flux gazeux.
La chambre de conditionnement thermique 126 est donc un échangeur thermique où s'homogénéise les températures des premier et second flux gazeux avant leur combinaison dans la chambre de mélange 128 pour la phase finale de conversion rédox des C02 (oxydants) du deuxième flux gazeux par les molécules hydrocarbonées (réductrices) du premier flux gazeux. Cette chambre de conditionnement thermique 126 est composée d'une enveloppe qui forme une boite parallélépipédique qui occupe toute la surface de la section du système. Le volume de cette boite est clos sur les 4 côtés qui épousent les parois du système 100, et le réseau tubulaire 130 est soudé étanche du côté de la chambre d'homogénéisation 126. La boite parallélépipédique n'est pas solidaire des parois verticales et supérieures du système, afin de permettre la dilatation de ladite boite (un passage minimum du premier flux gazeux est ainsi admis de part et d'autre de ce volume) ledit volume est dépourvu de fond permettant ainsi la communication avec la chambre d'oxydation 118. La paroi de ladite boite parallélépipédique qui sépare la chambre de conditionnement thermique 126 de la chambre de mélange 128 est configurée pour le maintien et la dilatation des tubes 132 composant le réseau de tubes 130 et disposés parallèlement au sens du premier flux gazeux transitant de la chambre d'homogénéisation 112 à la chambre de mélange 128, et ajourée pour permettre l'écoulement du deuxième flux gazeux, de la chambre de conditionnement thermique 126 dans la chambre de mélange 128.
Les tubes 132 sont soudés étanches sur la paroi de l'enveloppe parallélépipédique, du côté de la chambre d'homogénéisation 112, et juste maintenus du côté de la chambre de mélange 128. Ces tubes traversent donc la chambre de conditionnement thermique 126 de part en part et ont pour objet de canaliser le premier flux gazeux et de permettre le passage de ce premier flux gazeux de la chambre d'homogénéisation 112 vers la chambre de mélange 128 tout en réalisant un échange thermique avec le deuxième flux gazeux qui lui est canalisé par la forme parallélépipédique.
Compte tenu de la température du deuxième flux gazeux provenant de la chambre d'oxydation 118 (supérieure ou égale à 1200°C), la paroi au contact avec le premier flux gazeux provenant de la chambre d'homogénéisation est à une température inférieure ou égale à 1200°C.
L'enveloppe parallélépipédique est ajustée non étanche aux parois du système pour gérer les dilatations, une partie de l'ensemble gazeux provenant de la chambre d'homogénéisation 112 peut donc passer par ces interstices où l'échange thermique s'effectue au contact des parois de l'enveloppe qui canalise le deuxième flux gazeux à 1200°C. Le premier flux gazeux et le deuxième flux gazeux sont à une température supérieure à 1000°C en arrivant dans la chambre de mélange 128. Le mélange des deux flux gazeux a pour but de réaliser la complétude de la réaction rédox par les molécules hydrocarbonées se trouvant dans le premier flux gazeux :
les molécules gazeuses hydrocarbonées sont éminemment inflammables, donc en état d'interagir avec tout atome d'oxygène disponible, notamment les molécules oxydantes,
les molécules oxydantes réagissent instantanément avec les réducteurs carbones de la molécule hydrocarbonée, et
l'oxygène complémentaire introduit, sous strict contrôle, avec le deuxième flux gazeux contrôle et régule les besoins thermiques et maintient les conditions optimales de la réaction thermochimique rédox. Les contrôles des paramètres de la réaction thermochimique dans la chambre de mélange 128 se font par une sonde de température 134.
La chambre de mélange 128 comporte en outre une ouverture 136 de prise d'échantillon pour une analyse spectrométrique des composants du troisième flux gazeux.
Chacune des sondes de température utilisée dans le système 100 peut être une sonde de température infrarouge.
Le mélange des deux flux gazeux permet d'obtenir un troisième flux gazeux, qui est à une température inférieure ou égale à 1200°C et qui comprend des molécules de CO, H2, H20 et éventuellement des molécules à base soufre de formules Sx.
Le système 100 comprend une ouverture 138 d'extraction du troisième flux gazeux de la chambre de mélange 128 à l'extérieur du système 100.
Dans l'exemple décrit plus haut les matières hydrocarbonées sont portées à la température d'auto-inflammation par mélange avec un effluent gazeux. Cependant, dans un autre mode de réalisation les matières hydrocarbonées peuvent être portées à la température d'auto-inflammation par chauffage indirect, c'est-à-dire sans mélange avec un effluent gazeux, par exemple par l'intermédiaire de la première plaque perforée qui peut être chauffée et qui chauffe alors les matières hydrocarbonées. Dans ce cas, l'injection d'oxygène peut être réalisée au niveau de la plaque perforée, dont les perforations ne sont plus nécessaires.
Nous allons maintenant donner la composition du premier flux gazeux, du deuxième flux gazeux et du troisième flux gazeux dans différents modes de réalisation.
- Si l'effl uent gazeux est un effluent d'échappement et/ou une fumée industrielle :
o le premier flux gazeux comprend des molécules de N2, 02, ΝΟχ, SOx, CO, C02, H20 et des molécules hydrocarbonées gazeuses. Ces molécules s'homogénéisent, en température et répartition, dans la chambre d'homogénéisation avant leur aspiration dans la chambre de mélange ;
o le deuxième flux gazeux comprend des molécules de C02, 02, éventuellement de H20 et éventuellement des molécules soufrées de formules SOx ;
o le troisième flux gazeux comprend des molécules de N2, S2, CO, H2 et H20 et des molécules soufrées de formules Sx.
Si l'effluent gazeux est du CQ2.
o le premier flux gazeux comprend des molécules de C02, de CO, H20 et des molécules hydrocarbonées gazeuses. Ces molécules s'homogénéisent, en température et répartition, dans la chambre d'homogénéisation avant leur aspiration dans la chambre de mélange ;
o le deuxième flux gazeux comprend des molécules de C02, 02, éventuellement de H20 et éventuellement des molécules soufrées de formules SOx ;
o le troisième flux gazeux comprend des molécules de CO, H2 et H20 et des molécules soufrées de formules Sx. Dans le cas où aucun effluent gazeux n'est utilisé pour porter les matières hvdrocarbonées à la température d'autoinflammation :
o le premier flux gazeux comprend des molécules hydrocarbonées gazeuses et des molécules de CO et H20. Ces molécules s'homogénéisent, en température et répartition, dans la chambre d'homogénéisation avant leur aspiration dans la chambre de mélange ;
o le deuxième flux gazeux comprend des molécules de C02,
02, éventuellement de H20 et éventuellement des molécules soufrées de formules SOx ;
o le troisième flux gazeux comprend des molécules de CO, H2 et H20 et des molécules soufrées de formules Sx.
Le procédé selon l'invention s'applique plus particulièrement à toutes les matières liquides et/ou pâteuses dont les molécules hydrocarbonées sont à multiples carbones (Cn) inférieurs et/ou supérieurs à Ci6.
Nous allons maintenant donner un exemple de traitement de matières hydrocarbonées dans le cas où les molécules hydrocarbonées traitées sont de l'hexadécane qui correspond à du fioul-oil lourd N°2 et de formule Ci6H34.
Dans le cas où l'effluent gazeux utilisé est du C02 pur, pour traiter une mole d'hexadécane Ci6H34, les réactions qui ont lieu et les quantités de C02 et d'02 utilisées sont les suivantes :
- lors de la gazéification : sont introduits 4,15 moles de C02 et 2,465 moles d'02
o les réactions qui ont lieu sont :
■ oxydation de 9,86 moles d'hydrogène (H) sur 34, soit 4,93 moles d'hydrogène (H2) en H20 et génération de 1193,35 kJ, énergie thermique qui élève la température du milieu à T°>800°C ■ gazéification de la part gazéifiable de la matière première ±80% en molécules gazeuses d'hexadécane à T°≥800°C
■ génération de 3,92 moles de carbones fixes (part non gazéifiable "coke de pétrole" de la matière première) ±20% à T°<500°C.
Ces réactions produisent un premier flux gazeux et des carbones fixes, le flux gazeux comprend
■ 4,93 moles de H20, conséquence de l'oxycombustion de l'hydrogène (phase d'oxy- déshydrogénation exo-énergétique) de la fraction de mole d'hexadécane correspondant à l'apport thermique de gazéification
■ Environ 56% de la mole d'hexadécane gazéifiée, dont la température est >800°C et dont les éléments (C et H) sont éminemment inflammables donc à l'état de réducteurs potentiels de toute molécule oxydante
■ Des particules aérosols de carbone, des molécules de CO et de H2 peuvent être constatées dans le premier flux gazeux en fonction des interactions et réactions rédox relatives à la régulation de la température du milieu ; selon que la température augmente, H20 peut être réduite par (C) réducteur (présent dans le flux gazeux sous forme d'aérosol après l'oxy- déshydrogénation de la molécule d'hexadécane) cette réaction étant endothermique elle vient réguler toute hausse intempestive de la température du milieu, la réaction s'arrête dès que la température baisse en dessous du seuil de réaction rédox ou qu'il n'y a plus de carbone réducteur. La réaction rédox C02+C=2CO+172kJmol peut aussi interagir dans l'hypothèse d'une hausse intempestive de la température du milieu, mais à ce stade la régulation de la température est automatiquement gérée par l'admission d'oxygène,
■ 4,15 moles de C02 qui sont portées à la température du milieu, avant d'être introduites en mélange avec le deuxième flux gazeux où elles seront les oxydants de la réaction rédox dont les,
■ 3,92 moles de carbones fixes qui tombent par gravité dans la zone d'oxydation du réacteur
lors de l'oxydation des carbones fixes: sont introduits 5 moles de C02 et 5,02 moles d'02
o les réactions qui ont lieu sont :
■ les 3,92 moles de carbones fixes sont oxy- comburés en C02 par autant de moles d'oxygène o ces introductions et réactions produisent un deuxième flux gazeux comprenant
■ 8,92 moles de C02,
■ 1,10 mole d'02 qui sera le comburant de l'oxycombustion dédiée à la compensation énergétique de l'endothermie de la réaction rédox qui se produira au cours du mélange du premier et deuxième flux gazeux pour former le troisième flux gazeux
lors du mélange du premier et du deuxième flux gazeux : sont introduits, le premier flux gazeux à une température >800°C et le deuxième flux gazeux à une température > 1200°C, dans la chambre de mélange, par l'intermédiaire d'une chambre dite "de conditionnement thermique" (un échangeur thermique ouvert sur les trois chambres sans communication directe entre les flux 1 et 2) où la température des deux flux s'homogénéisera
o les réactions qui ont lieu sont :
■ l'oxygène du deuxième flux gazeux réagit instantanément avec la part d'hexadécane gazeux, cette oxycombustion élève la température du milieu et apporte l'énergie utile à la réduction des C02 par les carbones réducteurs de l'hexane gazéifié
■ réaction rédox (C02+C=2CO+ 172kJmol) des C02 du premier et deuxième flux gazeux avec les carbones réducteurs de l'hexane gazéifié du premier flux gazeux
■ désassemblage des molécules d'hexadécane et libération de l'hydrogène moléculaire qui n'a pas la possibilité de capter d'oxygène dans le milieu de la troisième zone de mélange. Selon le choix de régulation de la température, une réaction rédox secondaire peut être initiée dans le milieu de mélange : CO+H20=C02+H2-41kJmol qui permet de faire varier la teneur en H2 du gaz de synthèse, au dépend du CO (cela dépend de l'usage prévu pour le syngaz qui peut être ainsi plus ou moins facilement inflammable).
o Ces réactions produisent un troisième flux gazeux, dont la température se situe entre 1000/1200°C comprenant :
■ 24,15 moles de CO, dont le pouvoir calorifique supérieur (PCS) est de 6835,53 kJ
■ 10,10 moles de H2, dont le pouvoir calorifique supérieur (PCS) est de 2443,35 kJ
■ 13,80 moles de H20 Une mole d'hexadécane (Ci6H34) a un PCS de 10 418 kJ, le syngaz obtenu a un PCS de 9 278,88 kJ, soit un transfert d'énergie de 90% et la substitution d'une source énergétique d'une matière première peu exploitable en un gaz de synthèse, nouvelle source énergétique utilisable dans tous les systèmes thermiques existants ; la chaleur sensible du troisième flux gazeux représente une énergie > 1 114 kJ, recyclée dans le système pour le cycle suivant cette énergie vient en déduction de celle produite pour les différentes actions/réactions, économisant de l'oxygène et de l'hydrogène ; l'énergie économisée se traduit par des molécules de H2 supplémentaires dans le syngaz, le PCS de ces molécules porte le PCS du syngaz à 10 417,70 kJ, soit 99,99% de l'énergie potentielle de la matière première.
Dans le cas où l'effluent gazeux utilisé est un gaz d'échappement et/ou des effluents gazeux industriels provenant d'une combustion atmosphérique d'un combustible quelconque, l'effluent est à une certaine température (a donc une capacité thermique recyclable) et sera porté à la température d'au moins 300°C si cela est nécessaire ; de manière générale l'effluent est composé de N2, H20, C02, CO, 02, particules organiques (le plus souvent carbonées, donc combustibles), de NOx et éventuellement de SOx ; le procédé selon l'invention, consiste à réaliser une analyse numérique des éléments d'oxygène contenus dans l'effluent, sous forme d'02 et/ou d'oxydes élémentaires et à établir le rapport entre cette numérisation et la quantité d'oxygène intervenant dans la réaction décrite au paragraphe précédent, pour que la proportion (et le volume correspondant d'effluent) corresponde à une mole de Ci6H34. Les réactions qui ont lieu au cours des étapes sont identiques à la description citée et les quantités de C02 et d'02 ajoutées sont relatives à l'ensemble des facteurs ; ainsi, les différences qui seront manifestes, comparées à la description précédente, seront au niveau des premier et troisième flux le deuxième flux étant identique : lors de de la gazéification :
o les réactions qui ont lieu sont :
■ oxycombustion partielle de la mole d'hexadécane par l'oxygène contenu dans l'effluent à traiter, cette réaction est identique à celle de la précédente description ; cette oxydation provoque l'oxydo-déshydrogénation exo- énergétique de la molécule Ci6H34 nécessaire à la génération d'énergie de gazéification de la part volatile de ladite molécule ; ainsi la mole d'hexadécane subit les mêmes interactions que celles décrites précédemment ; selon l'analyse préalable l'oxygène "libre" contenu dans la proportion relative d'effluent est défini pour générer l'exothermie nécessaire de cette première réaction ; ainsi les vapeurs d'hexadécane sont extrêmement inflammables et ses éléments constitutifs (C et H) sont des réducteurs patents, tous les oxydants (NOx, SOx) de l'effluent entreront en réaction rédox avec ces éléments.
o Les réactions produisent un premier flux gazeux qui comprend les mêmes molécules que dans la précédente description avec les molécules d'azote (N2) contenues dans le volume relatif (à une mole d'hexadécane) d'effluent initial ; à la molécule se trouvant sous la forme N2 naturelle s'ajoute la molécule d'azote, présente dans l'effluent sous l'état d'oxyde élémentaire (NOx), qui sera éventuellement (lors de cette première réaction rédox) réduite au contact de la mole d'hexadécane, elle-même portée à la température d'auto-inflammation par l'effluent gazeux, en oxydant l'hydrogène de ladite molécule Ci6H34 et réalisant ainsi une part d'oxydo-déshydrogénation exo-énergétique que l'ajout d'oxygène génère dans la description précédente.
lors de l'oxydation :
o les réactions qui ont lieu sont les mêmes que dans la précédente description,
o ces réactions produisent un deuxième flux gazeux identique à celui de la précédente description
lors du mélange du premier et du deuxième flux gazeux :
o les réactions qui ont lieu sont les mêmes que dans la précédente description avec la finalité de la réaction rédox définie pour le traitement de l'effluent gazeux initial ; au cours de cette phase de mélange les oxydants qui n'ont pas été réduits (NOx, SOx) le sont en même temps que les C02 et éventuellement que certaines molécules de H20,
o ces réactions produisent un troisième flux gazeux identique à celui de la précédente description, complémenté des molécules désoxydées qui étaient contenues dans l'effluent initial (N2, S2). L'azote sera un volume "ballast" neutre dans l'usage qui sera fait du syngaz contenu dans ledit troisième flux. Ce volume peut être proportionné à volonté en faisant varier à la baisse la proportion d'effluent initial par mole d'hexadécane.
La FIGURE 2 est une représentation schématique d'une installation selon l'invention mettant en œuvre le système 100 de la figure 1 dans le cas où l'effluent gazeux est un gaz d'échappement.
L'installation 200 comprend : - un circuit d'amenée 202 du gaz d'échappement dans le système 100,
- un circuit d'amenée 204 des matières hydrocarbonées dans le système 100,
- un circuit d'amenée 206 d'oxygène dans le système 100 pour la réaction d'oxydation et de gazéification,
- un circuit d'amenée 208 du flux gazeux d'oxydation dans le système 100 pour la réaction d'oxydation, et
- un circuit de récupération 210 du troisième flux gazeux à la sortie 130 du système 100.
L'installation comprend en outre un échangeur thermique 212, connecté au circuit de récupération 210 pour réaliser un échange thermique entre le troisième flux gazeux et du C02 liquide ou froid . Cette échange thermique permet de réaliser :
- un refroidissement du troisième flux gazeux en vue de séparer d'abord les molécules soufrées de formule Sx présentes dans le troisième flux gazeux et ensuite l'eau présente dans le troisième flux gazeux, et
- un réchauffement du C02 froid ou liquide à une température de 1200°C en vue d'obtenir le flux gazeux d'oxydation.
Les molécules soufrées condensées/séparées du troisième flux gazeux sont récupérées par un circuit de récupération 214, l'eau condensée/séparée est récupérée par un circuit de récupération d'eau 216 et le C02 chaud obtenu est entré dans le circuit d'amenée 210 du flux gazeux d'oxydation dans le système.
L'échangeur thermique 212 fournit un quatrième flux gazeux comprenant uniquement des molécules de CO et de N2.
L'installation 200 comprend en outre un dispositif 218 de cogénération d'électricité dans lequel le quatrième flux gazeux est oxydé par de l'oxygène pur 02 et qui fournit un cinquième flux gazeux comprenant uniquement du C02 et des molécules de formules N2.
Ce cinquième flux gazeux est fourni à un réacteur de microalgues 220 pour la culture de microalgues et fournit de l'oxygène par photosynthèse et des microalgues qui représentent de la biomasse valorisable par combustion ou par traitement sous C02.
L'oxygène fournit par le réacteur de microalgues 220 peut être réutilisé dans le procédé, système et installation selon l'invention.
La FIGURE 3 est une représentation schématique d'un autre exemple d'une installation selon l'invention mettant en œuvre le système 100 de la figure 1 dans le cas où l'effluent gazeux est un flux gazeux de C02 pur.
L'installation 300 représentée sur la figure 3 est identique à l'installation 200 de la figure 2, à ceci près que le quatrième flux gazeux comprend uniquement du CO et lorsqu'il est exploité sous oxygène pur dans le dispositif de cogénération d'électricité 218, le cinquième flux gazeux comprend uniquement du C02.
Une partie de ce cinquième flux gazeux qui comprend uniquement du C02 est utilisée dans le réacteur de microalgues 220. Une autre partie du cinquième flux gazeux comprenant uniquement du C02, récupéré par un circuit de recyclage 302, est réutilisée en tant que flux gazeux d'oxydation et/ou en tant qu'effluent gazeux dans le système 100. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de matières h ydro carbonées liquides et/ou pâteuses comprenant une partie volatile gazeuse et une partie solide non-gazeuse, plus particulièrement de fuel-oil lourd, par exemple de fuel- oil lourd de catégorie 2 ou supérieure, des sables bitumineux ou encore des terres polluées par les hydrocarbures, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- amenée desdites matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation desdites matières hydrocarbonées ;
- gazéification desdites matières hydrocarbonées par injection d'une quantité contrôlée d'oxygène, ladite gazéification produisant :
■ un premier flux gazeux à une température supérieure ou égale à 800°C comprenant des molécules de CO, H20, des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse et des molécules de H2, et
une charge non gazeuse comprenant des molécules hydrocarbonées non gazeuses ;
- oxydation desdites molécules hydrocarbonées non gazeuses se trouvant dans ladite charge non gazeuse, par un flux gazeux, dit d'oxydation, constitué de C02 et 02 à une température comprise entre 1000°C et 1200°C, ladite oxydation produisant un deuxième flux gazeux comprenant des molécules de C02, 02, H20 ; et
- mélange dudit premier et dudit deuxième flux gazeux, ledit mélange provoquant l'oxydation des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse présentes dans le premier flux gazeux par des molécules de C02 et 02 présentes dans le deuxième flux gazeux, ledit mélange produisant un troisième flux gazeux comprenant des molécules de CO, H20 et H2.
2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'amenée des matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation est réalisée par chauffage indirect desdits matières hydrocarbonées.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape d'amenée des matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation est réalisée par mélange desdites matières hydrocarbonées avec un effluent gazeux présentant une température supérieure ou égale à la température des matières hydrocarbonées.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'effluent gazeux est un gaz d'échappement d'un dispositif de combustion de fuel, tel qu'un moteur thermique, un tel gaz d'échappement comprenant du N2, C02, ΝΟχ, SOx, CO, et du 02.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mélange du premier et du deuxième effluent gazeux réalise la désoxydation, par les molécules hydrocarbonées gazeuses présentes dans le premier flux gazeux, des molécules de NOx et SOx présents dans le premier flux gazeux et des molécules de C02 et 02 présentes dans le deuxième flux gazeux, le troisième flux gazeux comprenant alors les molécules de N2, S2, CO, et H20, et éventuellement des molécules de C02 et H2 à une température comprise entre 1000 et 1200°C.
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'effluent gazeux est un flux gazeux constitué de C02 pur.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mélange du premier et du deuxième effluent gazeux réalise la désoxydation, par les molécules hydrocarbonées en phase gazeuse présentes dans le premier flux gazeux, des molécules C02 et de 02 présentes dans le deuxième flux gazeux, le troisième flux gazeux comprenant alors des molécules de CO et H20 à une température comprise entre 1000 et 1200°C.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une injection d'oxygène lors de l'étape d'oxydation.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un refroidissement du troisième flux gazeux, par échange thermique avec un flux gazeux de C02.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une séparation des molécules non désirées lors de l'étape de refroidissement.
11. Système (100) de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses comprenant une partie volatile gazeuse et une partie solide non-gazeuse, plus particulièrement de fuel-oil lourd, par exemple de fuel-oil lourd de catégorie 2 ou supérieure, des sables bitumineux ou encore des terres polluées par les hydrocarbures, spécialement conçu pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend :
- des moyens (102, 104, 106) d'amenée desdites matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation desdites matières hydrocarbonées ;
- des moyens (110) de gazéification desdites matières hydrocarbonées par injection d'une quantité contrôlée d'oxygène, ladite gazéification produisant :
■ un premier flux gazeux à une température supérieure ou égale à 800°C comprenant des molécules de CO, H20, des molécules h ydro carbonées en phase gazeuse et des molécules de H2, et
une charge non gazeuse comprenant des molécules hydrocarbonées non gazeuse ;
- des moyens (118, 120, 124) d'oxydation desdites molécules hydrocarbonées non gazeuses se trouvant dans ladite charge non gazeuse, par un flux gazeux, dit d'oxydation, constitué de C02 et 02 à une température comprise entre 1000°C et 1200°C, ladite oxydation produisant un deuxième flux gazeux comprenant des molécules de C02, 02 H20 ; et
- des moyens (112, 126, 128, 130) de mélange dudit premier et dudit deuxième flux gazeux, ledit mélange provoquant l'oxydation des molécules hydrocarbonées en phase gazeuse présentes dans le premier flux gazeux par des molécules de C02 et 02 présentes dans le deuxième flux gazeux, ledit mélange produisant un troisième flux gazeux comprenant des molécules de CO, H20 et H2.
12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens d'amenée desdites matières hydrocarbonées à une température supérieure ou égale à la température d'auto-inflammation desdites matières hydrocarbonées comprennent des moyens (102, 104, 106) de mélange desdites matières hydrocarbonées avec un effluent gazeux.
13. Installation (200, 300) de traitement de matières hydrocarbonées liquides et/ou pâteuses comprenant une partie volatile gazeuse et une partie solide non-gazeuse, plus particulièrement de fuel-oil lourd, par exemple de fuel-oil lourd de catégorie 2 ou supérieure, des sables bitumineux ou encore des terres polluées par les hydrocarbures, ladite installation comprenant :
- un système (100) selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, et - des moyens (212) de récupération d'au moins une partie de la chaleur du premier et/ou du deuxième et/ou du troisième flux gazeux.
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