FR3144528A1 - Carbonation reactor, device and process - Google Patents
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Abstract
Réacteur de carbonatation de matériaux (10), caractérisé en ce qu’il comporte : Un ensemble de compartiments au minimum de 3, empilés verticalement et séparés chacun l’un de l’autre par une trappe actionnable, le compartiment principal (112) étant positionné entre deux compartiments. Un ou plusieurs compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment principal (112) ;Un ou plusieurs compartiments inférieurs (113) , situés en dessous du compartiment principal (112) ;une trappe actionnable (114) entre l’air ambiant et les compartiments supérieurs (111), faisant office d’entrée des matériaux à carbonater ;une trappe actionnable (115) entre les compartiments supérieurs (111) et le compartiment principal (112) ; une trappe actionnable (116) entre le compartiment principal (112) et les compartiment inférieurs (113) ;une trappe actionnable (117) entre les compartiments inférieurs (113) et l’air ambiant, faisant office de sortie des matériaux carbonatés ;Une entrée pour le CO2 pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (118) ;Une sortie pour le CO2 pour le compartiment principal, avec une vanne d’évacuation (119) ;Un évent d’évacuation (120) dans les compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment central (112), avec un dispositif d’ouverture piloté et étanche.Un dispositif d’aspiration du CO2 gazeux (121) connectant les compartiments inférieurs (113) aux compartiments supérieurs (111), et comportant un dispositif de transfert (122);Material carbonation reactor (10), characterized in that it comprises: A set of compartments of at least 3, stacked vertically and each separated from one another by an operable hatch, the main compartment (112) being positioned between two compartments. One or more upper compartments (111) located above the main compartment (112); One or more lower compartments (113), located below the main compartment (112); an operable hatch (114) between the ambient air and the upper compartments (111), serving as an entrance for the materials to be carbonated; an operable hatch (115) between the upper compartments (111) and the main compartment (112); an operable hatch (116) between the main compartment (112) and the lower compartments (113); an operable hatch (117) between the lower compartments (113) and the ambient air, acting as an outlet for the carbonated materials; an inlet for CO2 for the main compartment, with a supply valve (118);A CO2 outlet for the main compartment, with an exhaust valve (119);An exhaust vent (120) in the upper compartments (111) located above the central compartment (112), with a pilot-operated and waterproof opening device. A gaseous CO2 suction device (121) connecting the lower compartments (113) to the upper compartments (111), and comprising a transfer device (122);
Description
La présente invention vise un réacteur, un dispositif et un procédé de carbonatation de matériaux par utilisation de CO2 supercritique. Elle s’applique notamment aux plateforme de recyclage de béton, aux unités de fabrication de nouveaux bétons à partir de granulats recyclés et aux usines de production d’enrobés.The present invention relates to a reactor, a device and a process for carbonating materials using supercritical CO2. It applies in particular to concrete recycling platforms, to units manufacturing new concrete from recycled aggregates and to asphalt production plants.
La carbonatation du béton se produit naturellement au contact du béton et de l’atmosphère (avec une teneur en CO2 atmosphérique de l’ordre de 400 ppm). Ce phénomène est par exemple explicité dans l’article scientifique “The sponge effect and carbon emission mitigation potentials of the global cement cycle” de 2020, Nature, par Z.Cao et al. Pour le béton, la réaction en jeu peut être représentée par :
Ca(OH)2+ CO2-> CaCO3+ H2O (Equation 1)
The carbonation of concrete occurs naturally in contact with the concrete and the atmosphere (with an atmospheric CO2 content of around 400 ppm). This phenomenon is for example explained in the scientific article “The sponge effect and carbon emission mitigation potentials of the global cement cycle” from 2020, Nature, by Z.Cao et al. For concrete, the reaction involved can be represented by:
Ca(OH) 2 + CO 2 -> CaCO 3 + H2O (Equation 1)
Dans cette équation, l’hydroxyde de calcium réagit avec du CO2 pour produire du carbonate de calcium et de l’eau. Les parois de constructions en béton sont ainsi affectées par ce phénomène, avec une certaine profondeur sur laquelle la réaction de carbonatation se produit. La carbonatation des ouvrages en béton n’est en général pas complète. La carbonatation des ouvrages des bétons diminue le pH du milieu et peut induire de la corrosion dans les armatures métalliques de ces derniers. Ce phénomène naturel peut être canalisé et accéléré, dans le cadre de ce que l’on appelle la carbonatation accélérée des matériaux. Parmi les objectifs de cette pratique, on notera d’une part une capacité à piéger et stocker du CO2, d’autre part une amélioration des performances des matériaux ainsi traités et enfin, la capacité à mieux valoriser certains matériaux, suite à carbonatation.In this equation, calcium hydroxide reacts with CO2 to produce calcium carbonate and water. The walls of concrete constructions are thus affected by this phenomenon, with a certain depth over which the carbonation reaction occurs. The carbonation of concrete structures is generally not complete. The carbonation of concrete structures reduces the pH of the environment and can induce corrosion in the metal reinforcements of the latter. This natural phenomenon can be channeled and accelerated, within the framework of what is called accelerated carbonation of materials. Among the objectives of this practice, we will note on the one hand an ability to trap and store CO2, on the other hand an improvement in the performance of the materials thus treated and finally, the capacity to better valorize certain materials, following carbonation.
On notera que la carbonatation peut être réalisée sur de nombreux matériaux autres que le béton du moment qu’une base carbonatable, comme par exemple l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2, ou encore l’hydroxyde de magnesium Mg(OH)2) est présente dans le matériau.It should be noted that carbonation can be carried out on many materials other than concrete as long as a carbonatable base, such as for example calcium hydroxide Ca(OH)2, or even magnesium hydroxide Mg(OH)2 ) is present in the material.
On rappelle plusieurs définitions importantes en matière de carbonatation. D’une part, le rendement carbone (en %) indique la quantité de CO2 effectivement piégée par rapport à la quantité de CO2 mis à disposition. D’autre part, le taux de piégeage (ou uptake, en kg de CO2 par kg de matériau) désigne la quantité de CO2 piégée par quantité de matériaux introduit. Enfin, la capacité d’une unité de carbonatation (en tonne de matériau par heure) désigne la quantité par heure de matériau pouvant être carbonaté.We recall several important definitions regarding carbonation. On the one hand, the carbon yield (in %) indicates the quantity of CO2 actually trapped in relation to the quantity of CO2 made available. On the other hand, the trapping rate (or uptake, in kg of CO2 per kg of material) designates the quantity of CO2 trapped per quantity of materials introduced. Finally, the capacity of a carbonation unit (in tonnes of material per hour) designates the quantity per hour of material that can be carbonated.
La carbonatation des déchets de béton consiste à faire réagir certaines espèces chimiques présentes sur ces déchets de béton avec du CO2 pour obtenir de nouvelles propriétés physico-chimiques des matériaux et piéger du CO2. On désigne par déchets de béton différents produits en béton étant récupérés puis ensuite concassés, et le cas échéant, séparés en différentes fractions granulométriques, ces produits en béton pouvant être à l’origine des fonds de cuves d’unité de production de béton, des déchets de chantiers de déconstruction, des déchets de plateformes etc… On parle alors de granulats de béton recyclés pour les fractions de granulométrie élevée, typiquement d’une granulométrie supérieure à 4 mm, et de sables de béton recyclés pour les fractions d’une granulométrie inférieure à 4 mm, avec une attention particulière pour les fines, une fraction pouvant correspondre une granulométrie inférieure à 1 mm. Il existe des travaux scientifiques formant un corpus assez dense et ancien sur l’étude du phénomène de carbonatation pour les bétons (y compris déchets de béton), tels que par exemple l’article scientifique « Carbonation of concrete and its prediction », Cement and Concrete Research Volume 17, Issue 3, May 1987, Pages 489-504, de Ho et al.The carbonation of concrete waste consists of reacting certain chemical species present on this concrete waste with CO2 to obtain new physicochemical properties of the materials and trap CO2. Concrete waste refers to different concrete products that are recovered and then crushed, and where appropriate, separated into different particle size fractions, these concrete products being able to be the origin of the bottoms of concrete production unit tanks, waste from deconstruction sites, platform waste, etc. We then speak of recycled concrete aggregates for fractions of high particle size, typically with a particle size greater than 4 mm, and of recycled concrete sand for fractions of a particle size less than 4 mm, with particular attention to fines, a fraction which may correspond to a particle size less than 1 mm. There is scientific work forming a fairly dense and old corpus on the study of the carbonation phenomenon for concrete (including concrete waste), such as for example the scientific article “Carbonation of concrete and its prediction”, Cement and Concrete Research Volume 17, Issue 3, May 1987, Pages 489-504, by Ho et al.
A titre d’exemple plus récent, le brevet FR3113465 - A1 (déposé en Janvier 2021) décrit un procédé de carbonatation d’une fraction fine issue d’un procédé antérieur de dissociation d’un béton de déconstruction. Ce procédé qui vise la fraction fine des déchets de béton se base sur un CO2 gazeux et utilise un dispositif de vibration. On notera que les paramètres opératoires proposés (température, pression, humidité, teneur en CO2, granulométrie) sont bien connus dans la littérature, comme mentionné dans l’article « Effect of the accelerated carbonation treatment on the recycled sand physicochemical characteristics through the rolling carbonation process » par Dos Reis et al, 2020. Ces paramètres étant connus, les solutions peuvent se démarquer par les dispositions constructives des réacteurs.As a more recent example, patent FR3113465 - A1 (filed in January 2021) describes a process for carbonating a fine fraction resulting from a previous process for dissociating deconstruction concrete. This process, which targets the fine fraction of concrete waste, is based on gaseous CO2 and uses a vibration device. Note that the proposed operating parameters (temperature, pressure, humidity, CO2 content, particle size) are well known in the literature, as mentioned in the article “Effect of the accelerated carbonation treatment on the recycled sand physicochemical characteristics through the rolling carbonation process” by Dos Reis et al, 2020. These parameters being known, the solutions can stand out by the constructive arrangements of the reactors.
Le brevet WO2021/228979 décrit un procédé de carbonatation avec des réacteurs remplis de granulats qui sont ensuite carbonatés, et fonctionnant « en batch », c’est-à-dire par lot traité l’un après l’autre. L’accent est mis notamment sur le contrôle de la réaction et la mesure des performances dans le cadre d’utilisation d’un « gaz comprenant du CO2 » et préférentiellement avec un « gaz introduit dans le containeur … (comprenant) 95 à 100% de CO2 »Patent WO2021/228979 describes a carbonation process with reactors filled with aggregates which are then carbonated, and operating “in batch”, that is to say in batches treated one after the other. The emphasis is placed in particular on controlling the reaction and measuring performance in the context of using a “gas comprising CO2” and preferably with a “gas introduced into the container… (comprising) 95 to 100% of CO2 »
L’utilisation d’un gaz riche en CO2 au sein de ces inventions limite les performances des procédés en matière 1) de taux de capture du CO2, 2) de durée de carbonatation (de l’ordre de l’heure) et par conséquent, le débit unitaire pouvant être traité par une installation donnée. Enfin, dans certains cas, le rendement carbone peut-être faible, par absence de mesure des pertes en CO2 lié au procédé.The use of a gas rich in CO2 within these inventions limits the performance of the processes in terms of 1) CO2 capture rate, 2) carbonation duration (of the order of an hour) and consequently , the unit flow that can be processed by a given installation. Finally, in certain cases, the carbon yield may be low, due to a lack of measurement of CO2 losses linked to the process.
D’autres inventions et programmes scientifiques visent à réaliser une carbonatation en continu (du point de vue du CO2 utilisé). C’est le cas des développements présentés dans le cadre du programme Fastcarb en France, ayant donné lieu à des démonstrateurs de recherche, dont les résultats ont été publiés en Juin 2021. Dans ces inventions, des fumées issues de cimenterie, riche en CO2 (typiquement une composition entre 20 et 25% en base molaire) sont introduites dans le réacteur de carbonatation. Si la capacité de production peut être importante, l’inconvénient principal de ce type de solution est le faible rendement carbone, car beaucoup de CO2 introduit ressort sans avoir réagi. Par ailleurs, une carbonatation avec un gaz comprenant 20 à 25% en base molaire de CO2 peut nécessiter une durée de carbonatation très lente, de l’ordre de plusieurs heures voire plusieurs jours pour être jugée suffisante, c’est-à-dire carbonater une grande partie des espèces carbonatables.Other inventions and scientific programs aim to achieve continuous carbonation (from the point of view of the CO2 used). This is the case of the developments presented as part of the Fastcarb program in France, having given rise to research demonstrators, the results of which were published in June 2021. In these inventions, fumes from cement plants, rich in CO2 ( typically a composition between 20 and 25% on a molar basis) are introduced into the carbonation reactor. Although the production capacity can be significant, the main disadvantage of this type of solution is the low carbon efficiency, because a lot of the CO2 introduced comes out without having reacted. Furthermore, carbonation with a gas comprising 20 to 25% by molar base of CO2 may require a very slow carbonation duration, of the order of several hours or even several days to be considered sufficient, i.e. carbonate a large part of carbonatable species.
Ainsi, il existe des solutions techniques pour carbonater les déchets de béton en utilisant un gaz riche en CO2, mais ces solutions peuvent être limités par tout ou partie des aspects suivants :
- Un taux de piégeage limité ;
- Un rendement carbone limité ;
- Une capacité limitée ;
- Une difficulté à mesurer de manière précise la quantité de CO2 piégée dans le dispositif, notamment via la mesure uniquement indirecte du CO2 piégée et l’absence de mesure du CO2 perdu.
- A limited trapping rate;
- Limited carbon yield;
- Limited capacity;
- A difficulty in precisely measuring the quantity of CO2 trapped in the device, in particular via the only indirect measurement of the CO2 trapped and the absence of measurement of the CO2 lost.
On rappelle que le point critique du CO2 est défini par une température de 31 °C et une pression de 73,7 bar, et que dans des conditions de pression et de température supérieure aux conditions critiques, le CO2 est à l’état supercritique, un état combinant des propriétés fluides de types liquide et gaz, telle que par exemple une importante densité et une excellente diffusivité.Remember that the critical point of CO2 is defined by a temperature of 31°C and a pressure of 73.7 bar, and that under pressure and temperature conditions higher than critical conditions, CO2 is in the supercritical state, a state combining fluid properties of liquid and gas types, such as for example high density and excellent diffusivity.
D’autres travaux visent à réaliser une carbonatation en utilisant du CO2 à l’état supercritique. Le brevet US5518540 de Mai 1996 présente le cas d’une invention visant à traiter un ciment pour en renforcer les propriétés, notamment dans le cadre d’incorporation d’autres matériaux. Le procédé est néanmoins peu détaillé et concerne le renforcement d’un ciment. On rappelle que le béton est de manière générale composé de ciment, de granulat, d’eau et d’air.Other work aims to achieve carbonation using CO2 in the supercritical state. Patent US5518540 of May 1996 presents the case of an invention aimed at treating cement to reinforce its properties, particularly in the context of incorporating other materials. The process is nevertheless not very detailed and concerns the reinforcement of cement. Remember that concrete is generally composed of cement, aggregate, water and air.
Le brevet US6264736B1 publié en 2001 présente une invention pour carbonater rapidement de grandes structures en ciment, en format un ciment durci dans un moule, via l’utilisation de CO2 supercritique. Le procédé présenté ne détaille les éléments du dispositifs au-delà de la mention d’un compartiment étanche. Ce système peut présenter les limitations suivantes : d’une part, sans récupération, le CO2 qui ne réagit pas est perdu, ce qui diminue le rendement carbone. D’autre part, en absence de précision, la manière d’incorporer le CO2 et les matériaux constituent un enjeu important en terme de capacité (en t/h) et de faisabilité technique. Le dispositif ne présente pas la carbonatation de déchets de béton, et donc ne permet pas de mieux valoriser ces ressources de matériaux. L’article scientifique “Experimental measurement of portlandite carbonation kinetics with supercritical CO2” de Regnault et al., 2014, décrit des essais de carbonatation en utilisant du CO2 supercritique. Ces essais sont réalisés sur des réacteurs de laboratoire, mais ne présentent pas les détails d’un procédé industriel, ni les moyens de mesurer précisément la quantité de CO2 piégé en continu dans le procédé.Patent US6264736B1 published in 2001 presents an invention for rapidly carbonate large cement structures, in cement format hardened in a mold, via the use of supercritical CO2. The process presented does not detail the elements of the device beyond the mention of a waterproof compartment. This system may have the following limitations: on the one hand, without recovery, the CO2 that does not react is lost, which reduces the carbon yield. On the other hand, in the absence of precision, the way of incorporating CO2 and materials constitutes an important issue in terms of capacity (in t/h) and technical feasibility. The device does not present the carbonation of concrete waste, and therefore does not make it possible to better exploit these material resources. The scientific article “Experimental measurement of portlandite carbonation kinetics with supercritical CO2” by Regnault et al., 2014, describes carbonation tests using supercritical CO2. These tests are carried out on laboratory reactors, but do not present the details of an industrial process, nor the means to precisely measure the quantity of CO2 trapped continuously in the process.
Ainsi, il existe des approches scientifiques pour carbonater des éléments en ciment en utilisant du CO2 à l’état supercritique, mais pas d’invention présentant comment résoudre les limitations évoquées précédemment, en particulier pour les déchets de béton ou l’ensemble des matériaux carbonatables.Thus, there are scientific approaches to carbonate cement elements using CO2 in the supercritical state, but no invention presenting how to resolve the limitations mentioned previously, in particular for concrete waste or all carbonatable materials. .
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un réacteur de carbonatation de matériaux (110), qui comporte :
- Un ensemble de compartiments au minimum de 3, empilés verticalement et séparés chacun l’un de l’autre par une trappe actionnable, le compartiment principal (112) étant positionné entre deux compartiments.
- Un ou plusieurs compartiments supérieurs (111), situés au-dessus du compartiment principal (112) ;
- Un ou plusieurs compartiments inférieurs (113), situés au-dessous du compartiment principal (112) ;
- une trappe actionnable (114) entre l’air ambiant et les compartiments supérieurs (111), faisant office d’entrée des matériaux à carbonater ;
- une trappe actionnable (115) entre les compartiments supérieurs (111) et le compartiment principal (112) ;
- une trappe actionnable (116) entre le compartiment principal (112) et les compartiment inférieurs (113) ;
- une trappe actionnable (117) entre les compartiments inférieurs (113) et l’air ambiant, faisant office de sortie des matériaux carbonatés ;
- Une entrée pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (118) ;
- Une sortie pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’extraction (119) ;
- Un évent d’évacuation (120) dans les compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment central (112), avec un dispositif d’ouverture piloté et étanche ;
- Un dispositif d’aspiration du CO2 gazeux (121) connectant les compartiments inférieurs (113) aux compartiments supérieurs (111), et comportant un dispositif de transfert (122);
- A set of compartments of at least 3, stacked vertically and each separated from one another by an operable hatch, the main compartment (112) being positioned between two compartments.
- One or more upper compartments (111), located above the main compartment (112);
- One or more lower compartments (113), located below the main compartment (112);
- an operable hatch (114) between the ambient air and the upper compartments (111), serving as an entry point for the materials to be carbonated;
- an operable hatch (115) between the upper compartments (111) and the main compartment (112);
- an operable hatch (116) between the main compartment (112) and the lower compartments (113);
- an operable hatch (117) between the lower compartments (113) and the ambient air, serving as an outlet for carbonated materials;
- A supercritical CO2 inlet for the main compartment, with a supply valve (118);
- A supercritical CO2 outlet for the main compartment, with an extraction valve (119);
- An exhaust vent (120) in the upper compartments (111) located above the central compartment (112), with a pilot-operated and waterproof opening device;
- A CO2 gas suction device (121) connecting the lower compartments (113) to the upper compartments (111), and comprising a transfer device (122);
Dans des modes de réalisation, les matériaux introduits en haut de réacteur vont descendre par étape dans les compartiments, jusqu’à rejoindre le compartiment principal où une quantité de CO2 sera injecté, sous forme supercritique, et où la réaction de carbonatation aura principalement lieu. Les compartiments supérieurs jouent ainsi le rôle de sas pour éviter la perte de CO2 en améliorant l’étanchéité, et maximiser le rendement carbone.In some embodiments, the materials introduced at the top of the reactor will descend in stages through the compartments, until they reach the main compartment where a quantity of CO2 will be injected, in supercritical form, and where the carbonation reaction will mainly take place. The upper compartments thus play the role of an airlock to avoid the loss of CO2 by improving sealing, and maximizing carbon efficiency.
Dans des modes de réalisation, chaque compartiment est étanche. Les fluides (CO2 gaz ou CO2 supercritique) ne peuvent entrer ou sortir des compartiments que lors de l’ouverture d’une vanne, d’une trappe ou via un dispositif d’extraction. Cela permet d’une part d’éviter la perte de CO2 et ainsi de maximiser le rendement carbone, et d’autre part, de connaitre précisément la quantité de CO2 piégé.In embodiments, each compartment is waterproof. Fluids (CO2 gas or supercritical CO2) can only enter or leave the compartments when a valve, a hatch or via an extraction device is opened. This makes it possible on the one hand to avoid the loss of CO2 and thus to maximize carbon yield, and on the other hand, to know precisely the quantity of CO2 trapped.
Dans des modes de réalisation, les matériaux carbonatés dans le compartiment principal descendent progressivement dans les compartiments inférieurs, jusqu’à la sortie. Ce séquencement permet de garantir une bonne étanchéité et une carbonatation maximale.In embodiments, the carbonate materials in the main compartment gradually descend into the lower compartments, until the outlet. This sequencing ensures good sealing and maximum carbonation.
Dans des modes de réalisation, le volume utile de certain compartiment peut être variable, via la présence d’un piston en plus de la présence de trappe actionnable. Cela permet de mieux contrôler la pression dans les compartimentsIn embodiments, the useful volume of a certain compartment can be variable, via the presence of a piston in addition to the presence of an operable hatch. This allows better control of the pressure in the compartments
Dans des modes de réalisation, plusieurs réacteurs sont connectés en parallèle sur le circuit principal. Cela permet d’augmenter le débit de matériaux traités.In embodiments, several reactors are connected in parallel on the main circuit. This increases the throughput of processed materials.
Dans des modes de réalisation, le compartiment central dispose d’un volume plus grand que le compartiment supérieur. Cela permet de faciliter la gestion de l’écoulement des matériaux dans le réacteur.In embodiments, the central compartment has a larger volume than the upper compartment. This makes it easier to manage the flow of materials in the reactor.
Dans des modes de réalisation, le CO2 gazeux issu des compartiments inférieurs est injecté dans les compartiments supérieurs via le dispositif d’extraction. Cela permet les avantages suivants : de première part d’éviter la perte de CO2 à l’ouverture du compartiment inférieur donnant sur l’air libre et donc d’améliorer le rendement carbone ; de deuxième part, de chasser en partie l’air des compartiments supérieurs ; de troisième part, de démarrer la réaction de carbonatation dans les compartiments supérieurs ; de quatrième part, de contribuer à la mesure précise de la quantité piégée dans les matériaux.In embodiments, the gaseous CO2 from the lower compartments is injected into the upper compartments via the extraction device. This allows the following advantages: firstly, to avoid the loss of CO2 when opening the lower compartment into the open air and therefore to improve carbon efficiency; secondly, to partly expel the air from the upper compartments; thirdly, to start the carbonation reaction in the upper compartments; fourthly, to contribute to the precise measurement of the quantity trapped in the materials.
Dans des modes de réalisation, le réacteur comporte plusieurs compartiments inférieurs, munis de dispositifs d’extraction de gaz et permettant la réinjection du gaz (majoritairement du CO2) dans les comportements supérieurs. Cela permet d’améliorer encore le rendement carbone.In embodiments, the reactor comprises several lower compartments, equipped with gas extraction devices and allowing the reinjection of gas (mainly CO2) into the upper behaviors. This further improves carbon efficiency.
Dans des modes de réalisation, les vannes à l’entrée et à la sortie du réacteur sont très proches du réacteur. Cela permet de mieux doser la quantité de CO2 à carbonater dans le compartiment principal et de mieux contrôler la pression finale en fin de carbonatation, et ainsi de mieux contrôler le cycle thermodynamique.In embodiments, the valves at the inlet and outlet of the reactor are very close to the reactor. This makes it possible to better dose the quantity of CO2 to be carbonated in the main compartment and to better control the final pressure at the end of carbonation, and thus to better control the thermodynamic cycle.
Dans des modes de réalisation, la quantité de matériaux introduite dans le compartiment supérieur est dosée précisément par rapport à la quantité de CO2 injectée dans le compartiment principal, pour maximiser la carbonatation et la gestion de la pression dans le réacteur.In embodiments, the quantity of materials introduced into the upper compartment is precisely metered relative to the quantity of CO2 injected into the main compartment, to maximize carbonation and pressure management in the reactor.
Dans des modes de réalisation, ce dosage se fait via par le remplissage de l’intégralité du compartiment supérieur, dont le volume est connu, avec un dispositif de récupération des matériaux, de type racleur, les matériaux étant à réincorporer dans le prochain chargement. Via la connaissance de la densité des matériaux en vrac, cela permet de connaitre approximativement la masse de matériaux introduite.In some embodiments, this dosage is done by filling the entire upper compartment, the volume of which is known, with a scraper-type material recovery device, the materials being to be reincorporated into the next loading. By knowing the density of bulk materials, this makes it possible to know approximately the mass of materials introduced.
Dans des modes de réalisations, la trappe actionnable entre le compartiment supérieur et le compartiment principal comporte des dispositifs internes fixes ou mobiles permettant de créer un léger mélange au sein des matériaux. Cela permet d’améliorer la réaction de carbonatation.In embodiments, the operable hatch between the upper compartment and the main compartment comprises fixed or mobile internal devices making it possible to create a slight mixture within the materials. This improves the carbonation reaction.
Dans des modes de réalisations, les trappes actionnables entre compartiments peuvent disposer d’un mode d’ouverture progressif et piloté, c’est dire que la vitesse d’ouverture peut être régulée.In embodiments, the hatches operable between compartments can have a progressive and controlled opening mode, i.e. the opening speed can be regulated.
Dans des modes de réalisations, deux actions permettent de réduire la pression dans le compartiment principal à une pression inférieure à la pression critique de 73,7 bar : d’une part la réaction de carbonatation, via la consommation de CO2 passant de l’état gazeux à l’état solide, et d’autre part, l’ouverture de la trappe inférieure permettant de mutualiser les volumes du compartiment principal et du compartiment directement inférieur. Cela permet de transformer le CO2 supercritique en CO2 gazeux par diminution de la pression, et ainsi de séparer plus facilement le flux de CO2, du flux de matériaux.In embodiments, two actions make it possible to reduce the pressure in the main compartment to a pressure lower than the critical pressure of 73.7 bar: on the one hand the carbonation reaction, via the consumption of CO2 passing from the state gaseous in the solid state, and on the other hand, the opening of the lower hatch making it possible to pool the volumes of the main compartment and the directly lower compartment. This makes it possible to transform supercritical CO2 into gaseous CO2 by reducing the pressure, and thus to more easily separate the flow of CO2 from the flow of materials.
Dans des modes de réalisation, le CO2 introduit dans le réacteur est à l’état liquide, à une pression comprise entre 75 bar et 130 bar et à une température comprise entre 37 °C et 100 °C, et le CO2 ressortant du réacteur est à l’état gazeux, à une pression entre 20 bar et 70 bar et une température entre 20 °C et 80 °C. Ce choix permet d’optimiser la réaction de carbonatation et la séparation matériaux, CO2 non réactif dans le réacteur.In embodiments, the CO2 introduced into the reactor is in the liquid state, at a pressure between 75 bar and 130 bar and at a temperature between 37°C and 100°C, and the CO2 emerging from the reactor is in the gaseous state, at a pressure between 20 bar and 70 bar and a temperature between 20°C and 80°C. This choice makes it possible to optimize the carbonation reaction and the separation of materials and non-reactive CO2 in the reactor.
Dans des modes de réalisation, le réacteur ne comporte pas de vannes d’extraction de CO2 au niveau du compartiment principal et le dispositif ne comporte pas de circuit de recirculation avec séparateur, condenseur et réintroduction dans la cuve de stockage. Seul le CO2 gazeux extrait des compartiments inférieurs et recyclés dans les compartiments supérieurs. Cela permet de réduire les coûts et d’augmenter les performances énergétiques quand les quantités de CO2 et de matériaux sont précisément dosées.In embodiments, the reactor does not include CO2 extraction valves at the main compartment and the device does not include a recirculation circuit with separator, condenser and reintroduction into the storage tank. Only gaseous CO2 is extracted from the lower compartments and recycled to the upper compartments. This makes it possible to reduce costs and increase energy performance when the quantities of CO2 and materials are precisely dosed.
Dans des modes de réalisation, l’évent présent dans les compartiments supérieurs est situé sur un point haut du compartiment. Cela permet d’évacuer l’air qui pourrait s’accumuler dans le réacteur et dans les compartiments, le CO2 étant plus lourd que l’air, il aura tendance à se situer en hauteur dans les compartiments.In embodiments, the vent present in the upper compartments is located on a high point of the compartment. This makes it possible to evacuate the air which could accumulate in the reactor and in the compartments, the CO2 being heavier than the air, it will tend to be located high up in the compartments.
Dans des modes de réalisation, le dispositif d’évent comporte un dispositif de mesure de la quantité de CO2 résiduelle évacuer à l’évent ;In embodiments, the vent device includes a device for measuring the quantity of residual CO2 discharged to the vent;
Dans des modes de réalisation, le réacteur comporte un dispositif de mesure de la quantité de CO2 résiduelle dans le compartiment inférieur, après extraction et avant ouverture de la trappe actionnable communicant sur l’air ambiant;In embodiments, the reactor comprises a device for measuring the quantity of residual CO2 in the lower compartment, after extraction and before opening the operable hatch communicating with the ambient air;
Dans des modes de réalisation, les matériaux à carbonater sont des déchets de béton recyclé concassés comportant un degré d’humidité supérieur à 5%, et avec une granulométrie inférieure à 80 mm ;In embodiments, the materials to be carbonated are crushed recycled concrete waste having a humidity level greater than 5%, and with a particle size less than 80 mm;
Selon un second aspect, la présente invention vise un dispositif de carbonatation de matériaux, qui comporte :
- Une ligne d’alimentation en CO2 liquide débouchant sur un réservoir de CO2 liquide sous pression et comportant :
- un système de dosage en débit et
- un système de mesure de quantité et ;
- Un réservoir de CO2 liquide sous pression ;
- Une pompe de CO2 liquide sous pression, connecté au réservoir et à l’échangeur thermique de type réchauffeur ;
- Un échangeur thermique de type gaz/liquide, permettant d’une part un chauffage du CO2 gazeux restant en sortie de réacteur, et d’autre part le chauffage complémentaire du CO2 liquide
- Un échangeur thermique de type réchauffeur de CO2 liquide sous pression, connecté au réacteur et à la pompe. Cet échangeur est également dit échangeur trans-critique ;
- Un réacteur de carbonatation tel que décrit selon le premier aspect de l’invention ;
- Un séparateur additionnel gaz / solide;
- Un échangeur thermique de type condenseur de CO2 gazeux ;
- Un ensemble de tuyauteries connectant les composants précédemment cités ;
- A liquid CO2 supply line opening onto a pressurized liquid CO2 tank and comprising:
- a flow dosing system and
- a quantity measurement system and;
- A pressurized liquid CO2 tank;
- A pressurized liquid CO2 pump, connected to the tank and the heater type heat exchanger;
- A gas/liquid type heat exchanger, allowing on the one hand heating of the gaseous CO2 remaining at the reactor outlet, and on the other hand the additional heating of the liquid CO2
- A pressurized liquid CO2 heater type heat exchanger, connected to the reactor and the pump. This exchanger is also called a trans-critical exchanger;
- A carbonation reactor as described according to the first aspect of the invention;
- An additional gas/solid separator;
- A gaseous CO2 condenser type heat exchanger;
- A set of pipes connecting the previously mentioned components;
Le dispositif peut être considéré comme une machine thermodynamique réalisant des travaux de compression, d’échange thermique, de détente et d’échange thermique, et avec un fluide étant le CO2, sous trois différents états (gazeux, liquide, supercritique). On peut donc désigner de cycle thermodynamique, l’ensemble du circuit dans le dispositif permettant ces transformations du CO2.The device can be considered as a thermodynamic machine carrying out compression, heat exchange, expansion and heat exchange work, and with a fluid being CO2, in three different states (gaseous, liquid, supercritical). We can therefore designate a thermodynamic cycle, the entire circuit in the device allowing these transformations of CO2.
Dans des modes de réalisation, il n’y a pas d’échangeur thermique de type gaz/liquide. Cela permet de réduire les coûts et les baisses de pression quand la quantité de CO2 gazeux récupéré est faible.In embodiments, there is no gas/liquid type heat exchanger. This makes it possible to reduce costs and pressure drops when the quantity of gaseous CO2 recovered is low.
Dans des modes de réalisation, le CO2 liquide provenant du réservoir est pompé à une pression supérieure à la pression critique, puis réchauffé à une température supérieure à la température critique. Cela permet de réaliser une carbonatation en phase supercritique dans le compartiment principal, améliorant la profondeur de pénétration, le taux de carbonatation et réduisant la durée de la réaction de carbonatation.In embodiments, liquid CO2 from the tank is pumped to a pressure above the critical pressure and then reheated to a temperature above the critical temperature. This allows supercritical phase carbonation to be achieved in the main compartment, improving the penetration depth, carbonation rate and reducing the duration of the carbonation reaction.
Dans des modes de réalisation, le débit entrant dans le réacteur est supérieur au débit sortant du réacteur, entrainant une puissance thermique plus élevée pour l’échangeur réchauffeur de CO2 liquide sous pression que pour l’échangeur de refroidissement et liquéfaction du CO2 liquide.In some embodiments, the flow rate entering the reactor is greater than the flow rate leaving the reactor, resulting in a higher thermal power for the pressurized liquid CO2 heating exchanger than for the liquid CO2 cooling and liquefaction exchanger.
Dans des modes de réalisation, plusieurs réacteurs sont disposés en parallèle sur le circuit de CO2. Cela permet d’augmenter significativement la capacité de l’unité et de fonctionner de manière quasi-continue.In embodiments, several reactors are arranged in parallel on the CO2 circuit. This makes it possible to significantly increase the capacity of the unit and operate almost continuously.
Dans des modes de réalisation, le séparateur gaz/solide situé après le réacteur est de type cyclone. Il permet de récupérer d’éventuelles fines carbonatés, augmentant la valorisation matière et réduisant l’usure des composants du circuit de CO2. Il dispose d’une trappe actionnable étanche pour évacuer les matériaux, tout en limitant les pertes en CO2.In embodiments, the gas/solid separator located after the reactor is of the cyclone type. It makes it possible to recover any fine carbonates, increasing material recovery and reducing wear on CO2 circuit components. It has a waterproof, operable hatch to evacuate materials, while limiting CO2 losses.
Dans des modes réalisation, le séparateur gaz/solide situé après le réacteur est équipé d’un ensemble de compartiments en bas d’équipement et de d’extracteurs, agissant comme des sas et permettant de limiter la perte de CO2 dans le flux de matériaux. Les solides captés dans le séparateur ne sont alors qu’évacuées que lors de phase de maintenance.In embodiments, the gas/solid separator located after the reactor is equipped with a set of compartments at the bottom of the equipment and extractors, acting as airlocks and making it possible to limit the loss of CO2 in the flow of materials . The solids captured in the separator are then only evacuated during the maintenance phase.
Dans des modes de réalisation, l’ensemble de l’invention peut être disposée sur un ensemble mobile, et travaille par campagne. De plusieurs heures à plusieurs semaines.In embodiments, the entire invention can be arranged on a mobile assembly, and works by campaign. From several hours to several weeks.
Dans des modes de réalisation, le dispositif est alimentée en CO2 liquéfié sous pression via l’alimentation en CO2.In embodiments, the device is supplied with liquefied CO2 under pressure via the CO2 supply.
Dans des modes de réalisation, le réservoir de CO2 est à la pression de 20 bar et à la température de -18 °C.In embodiments, the CO2 tank is at a pressure of 20 bar and a temperature of -18°C.
Dans d’autres modes de réalisation, le réservoir de CO2 est à la pression de 50 bar et à la température de 8 °C.In other embodiments, the CO2 tank is at a pressure of 50 bar and a temperature of 8°C.
Dans des modes de réalisation, le CO2 est disponible sous forme liquide à une pression et température donnée, et un dispositif de compression puis un échangeur thermique permettent de mettre à disposition du CO2 à une pression et une température plus élevée au niveau de la ligne d’alimentation.In embodiments, the CO2 is available in liquid form at a given pressure and temperature, and a compression device then a heat exchanger makes it possible to make CO2 available at a higher pressure and temperature at the level of the line. 'food.
Dans des modes de réalisation, la quantité de CO2 injectée dans le dispositif via la ligne d’alimentation en CO2 est précisément dosée grâce au système de dosage en débit et précisément mesurée grâce au système de mesure de quantité. Conjugué au très faible taux de perte de CO2, cela permet d’avoir une mesure en continu de la quantité de CO2 piégé dans les matériauxIn embodiments, the quantity of CO2 injected into the device via the CO2 supply line is precisely dosed using the flow metering system and precisely measured using the quantity measuring system. Combined with the very low CO2 loss rate, this allows for continuous measurement of the quantity of CO2 trapped in the materials.
Dans des modes de réalisation, le système de dosage en débit est une vanne actionnable.In embodiments, the flow metering system is an actuable valve.
Dans des modes de réalisation, le système de mesure de quantité est un débit-mètre.In embodiments, the quantity measurement system is a flow meter.
Dans des modes de réalisation, on dispose d’une instrumentation permettant de mesurer la concentration en CO2 présente au niveau du compartiment inférieur et au niveau du compartiment supérieur. Cela permet de quantifier précisément les pertes de CO2 et donc le rendement carbone, lors de l’ouverture des trappes actionnables du réacteur donnant sur l’air ambiant.In embodiments, there is instrumentation making it possible to measure the concentration of CO2 present at the level of the lower compartment and at the level of the upper compartment. This makes it possible to precisely quantify the CO2 losses and therefore the carbon yield, when the reactor's operable hatches opening onto the ambient air are opened.
Dans des modes de réalisation, le dispositif d’extraction du CO2 des compartiments inférieurs des réacteurs extrait le CO2 vers le circuit principal après le réacteur au lieu de l’envoyer dans les compartiments supérieurs des réacteurs. Cela peut permettre de réduire les coûts dans le cas de plusieurs réacteurs.In embodiments, the lower reactor compartment CO2 extraction device extracts CO2 to the main circuit after the reactor instead of sending it to the upper reactor compartments. This can help reduce costs in the case of multiple reactors.
Dans des modes de réalisation, le réservoir de CO2 liquide est positionné physiquement au-dessus de la pompe de manière à éviter la cavitation de celle-ci.In embodiments, the liquid CO2 tank is physically positioned above the pump so as to avoid cavitation thereof.
Dans des modes de réalisation, le dispositif (20) comporte un ensemble de plusieurs réacteurs (210) connectés de manière parallèle et opérant chacun avec un décalage temporel équivalent à la durée de carbonatation divisé par le nombre de réacteurs (210) ;In embodiments, the device (20) comprises a set of several reactors (210) connected in parallel and each operating with a time shift equivalent to the carbonation duration divided by the number of reactors (210);
Selon un troisième aspect, la présente invention vise un dispositif de carbonatation de matériaux, qui comporte :
- Un dispositif de carbonatation de matériaux, selon le second aspect de l’invention
- Un circuit pompe à chaleur intégré, comprenant à minima:
- Un compresseur ;
- Un dispositif de détente de gaz ;
- Un fluide de travail ;
- Un ensemble de tuyauteries connectant le compresseur, la vanne de détente, l’échangeur de type réchauffeur de CO2 et l’échangeur de type condenseur de CO2 gazeux, caractérisé selon que :
- A device for carbonating materials, according to the second aspect of the invention
- An integrated heat pump circuit, including at least:
- A compressor;
- A gas expansion device;
- A working fluid;
- A set of pipes connecting the compressor, the expansion valve, the CO2 heater type exchanger and the gaseous CO2 condenser type exchanger, characterized in that:
L’échangeur de type réchauffeur de CO2 du dispositif de carbonatation de matériaux réchauffe le flux de CO2 et en condensant et/ou refroidissant le fluide de travail. Il est situé en amont du dispositif de détente de gaz;The CO2 heater type exchanger of the material carbonation device heats the CO2 stream and condensing and/or cooling the working fluid. It is located upstream of the gas expansion device;
L’échangeur de type condenseur de CO2 du dispositif de carbonatation de matériaux refroidit et/ou liquéfie le flux de CO2 en réchauffant et/ou évaporant le fluide de travail. Il est situé en amont du compresseur ;The CO2 condenser type exchanger of the material carbonation device cools and/or liquefies the CO2 flow by heating and/or evaporating the working fluid. It is located upstream of the compressor;
Les buts, avantages et caractéristiques particulières du dispositif objet du deuxième aspect de la présente invention étant similaires à ceux du dispositif objet du premier aspect objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés iciThe aims, advantages and particular characteristics of the device which is the subject of the second aspect of the present invention being similar to those of the device which is the subject of the first aspect which is the subject of the present invention, they are not recalled here.
En plus de ces avantages, ce troisième aspect permet d’optimiser la consommation énergétique et l’autonomie du procédé.In addition to these advantages, this third aspect makes it possible to optimize energy consumption and the autonomy of the process.
Dans des modes de réalisation, l’échangeur condenseur de CO2 du dispositif de carbonatation de matériaux est également l’évaporateur du circuit pompe à chaleur et l’échangeur réchauffeur de CO2 est également le condenseur du circuit pompe à chaleur.In embodiments, the CO2 condenser exchanger of the material carbonation device is also the evaporator of the heat pump circuit and the CO2 heater exchanger is also the condenser of the heat pump circuit.
Dans des modes réalisation, le fluide de travail du circuit pompe à chaleur est également du CO2 sous pression.In embodiments, the working fluid of the heat pump circuit is also CO2 under pressure.
Dans d’autres modes de réalisation, le fluide de travail est un fluide frigorigène de type HFO ou un fluide naturel (de type hydrocarbure). Cela permet d’optimiser les performances.In other embodiments, the working fluid is an HFO type refrigerant or a natural fluid (hydrocarbon type). This helps optimize performance.
Dans des modes de réalisation, les échangeurs de chaleur communs aux circuits CO2 et pompe à chaleur comportent plusieurs sous-parties, dont certaines peuvent être dédiées aux changements de température et d’autres aux changements d’états.In embodiments, the heat exchangers common to the CO2 and heat pump circuits comprise several sub-parts, some of which can be dedicated to temperature changes and others to changes of state.
Dans des modes de réalisation, il existe des échangeurs complémentaires pour réchauffer le CO2 liquide (respectivement refroidir ou liquéfier le CO2 gazeux) avec une source chaude (respectivement froide) externe. Cela permet plus de flexibilité en fonction des conditions opératoires.In embodiments, there are complementary exchangers for heating the liquid CO2 (respectively cooling or liquefying the gaseous CO2) with an external hot (respectively cold) source. This allows more flexibility depending on operating conditions.
Dans des modes de réalisation, le compresseur du circuit pompe à chaleur est de type multi-étagé.In embodiments, the compressor of the heat pump circuit is of the multi-stage type.
Dans des modes de réalisation, le circuit pompe à chaleur comporte des améliorations complémentaires bien connus de la littérature, tels qu’un échangeur intermédiaire, plusieurs niveaux de pression, plusieurs circuits imbriqués avec des fluides de travail différents. Cela permet d’améliorer les performances du circuit pompe à chaleur.In embodiments, the heat pump circuit includes additional improvements well known from the literature, such as an intermediate exchanger, several pressure levels, several nested circuits with different working fluids. This improves the performance of the heat pump circuit.
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :Other advantages, aims and particular characteristics of the invention will emerge from the following non-limiting description of at least one particular embodiment of the device and the method which are the subject of the present invention, with reference to the appended drawings, in which:
la
la
la
la
la
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle.The present description is given on a non-limiting basis, each characteristic of an embodiment being able to be combined with any other characteristic of any other embodiment in an advantageous manner. Note now that the figures are not to scale.
On observe, sur la
- Un ensemble de compartiments au minimum de 3, empilés verticalement et séparés chacun l’un de l’autre par une trappe actionnable, le compartiment principal (112) étant positionné entre deux compartiments.
- Un ou plusieurs compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment principal (112) ;
- Un ou plusieurs compartiments inférieurs (113) , situés en dessous du compartiment principal (112) ;
- Une trappe actionnable (114) entre l’air ambiant et les compartiments supérieurs (111), faisant office d’entrée des matériaux à carbonater ;
- Une trappe actionnable (115) entre les compartiments supérieurs (111) et le compartiment principal (112) ;
- Une trappe actionnable (116) entre le compartiment principal (112) et les compartiment inférieurs (113) ;
- Une trappe actionnable (117) entre les compartiments inférieurs (113) et l’air ambiant, faisant office de sortie des matériaux carbonatés ;
- Une entrée pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (118) ;
- Une sortie pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’évacuation (119) ;
- Un évent d’évacuation (120) dans les compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment central (112), avec un dispositif d’ouverture piloté et étanche ;
- Un dispositif d’aspiration du CO2 gazeux (121) connectant les compartiments inférieurs (113) aux compartiments supérieurs (111), et comportant un dispositif de transfert (122) ;
- A set of compartments of at least 3, stacked vertically and each separated from one another by an operable hatch, the main compartment (112) being positioned between two compartments.
- One or more upper compartments (111) located above the main compartment (112);
- One or more lower compartments (113), located below the main compartment (112);
- An operable hatch (114) between the ambient air and the upper compartments (111), serving as an entry point for the materials to be carbonated;
- An operable hatch (115) between the upper compartments (111) and the main compartment (112);
- An operable hatch (116) between the main compartment (112) and the lower compartments (113);
- An operable hatch (117) between the lower compartments (113) and the ambient air, serving as an outlet for carbonated materials;
- A supercritical CO2 inlet for the main compartment, with a supply valve (118);
- A supercritical CO2 outlet for the main compartment, with an exhaust valve (119);
- An exhaust vent (120) in the upper compartments (111) located above the central compartment (112), with a pilot-operated and waterproof opening device;
- A CO2 gas suction device (121) connecting the lower compartments (113) to the upper compartments (111), and comprising a transfer device (122);
Le réacteur (10) peut être par exemple installé au sein dans d’un dispositif de carbonatation présenté en
Le flux de CO2 supercritique entre dans le compartiment principal (112) du réacteur (110) , lorsque la vanne (118) est ouverte. Le réacteur (110) comporte par exemple 3 compartiments, dont un compartiment principal (112). Les trappes actionnables (115) et (116) sont fermées lors de l’ouverture de la vanne (118).The supercritical CO2 flow enters the main compartment (112) of the reactor (110), when the valve (118) is open. The reactor (110) has for example 3 compartments, including a main compartment (112). The operable hatches (115) and (116) are closed when the valve (118) is opened.
Les matériaux à carbonater sont par exemple des déchets de béton concassés et sont introduits au niveau de la trappe (114) dans le compartiment supérieur (111).The materials to be carbonated are for example crushed concrete waste and are introduced at the level of the hatch (114) into the upper compartment (111).
Les trappes actionnables (114), (115), (116) et (117) sont par exemple des vannes guillotines.The operable hatches (114), (115), (116) and (117) are for example gate valves.
Le compartiment supérieur (111) dispose d’une forme de cône inversé pour faciliter le chargement des matériaux.The upper compartment (111) has an inverted cone shape to facilitate loading of materials.
Le réacteur (10) va traiter un flux de matériau avec un flux de CO2. Du point de vue du flux de CO2, Le flux de CO2 supercritique entre dans le compartiment principal du réacteur (112), lorsque la vanne (118) est ouverte. A l’intérieur du compartiment principal (112), le CO2 rencontre les matériaux à carbonater. Elle induit par ailleurs une baisse de pression dans le compartiment principal (112) . Lorsque cette réaction est terminée, la trappe actionnable (116) entre le compartiment principal (112) et les compartiments inférieurs (113) s’ouvre et les matériaux tombent dans le compartiment inférieur (113). Les deux volumes sont donc en commun et cette ouverture induit une baisse de pression supplémentaire. Le CO2 est alors gazeux. La trappe (113) se referme et la vanne de sortie (119) s’ouvre. La réaction de carbonatation est rapide.The reactor (10) will treat a flow of material with a flow of CO2. From the point of view of the CO2 flow, The supercritical CO2 flow enters the main compartment of the reactor (112), when the valve (118) is opened. Inside the main compartment (112), the CO2 meets the materials to be carbonated. It also induces a drop in pressure in the main compartment (112). When this reaction is complete, the operable hatch (116) between the main compartment (112) and the lower compartments (113) opens and the materials fall into the lower compartment (113). The two volumes are therefore in common and this opening induces an additional drop in pressure. The CO2 is then gaseous. The hatch (113) closes and the outlet valve (119) opens. The carbonation reaction is rapid.
Du point de vue du flux de matériaux, une quantité dosée de matériaux est disposée dans le compartiment supérieur (111) du réacteur (110) , via une trappe actionnable (114) qui s’ouvre. Ce compartiment (111) fait office de sas. L’air présent initialement à pression atmosphérique peut être chassé grâce à un dispositif (120) (de type pompe à vide ou évent). Le compartiment supérieur (111) peut ensuite être progressivement alimenté en CO2 sous pression, provenant d’un compartiment inférieur (113). Via l’ouverture de la trappe inférieure (115) , les matériaux tombent dans le compartiment principal (112). La trappe (115) se referme et la vanne d’alimentation (118) en CO2 s’ouvre. La réaction de carbonatation se produit. Une fois la réaction terminée, la trappe actionnable inférieure (116) permet de déplacer les matériaux dans le compartiment inférieur (113), puis se referme.From a material flow point of view, a metered quantity of materials is placed in the upper compartment (111) of the reactor (110), via an operable hatch (114) which opens. This compartment (111) acts as an airlock. The air initially present at atmospheric pressure can be expelled using a device (120) (vacuum pump or vent type). The upper compartment (111) can then be progressively supplied with CO2 under pressure, coming from a lower compartment (113). Via the opening of the lower hatch (115), the materials fall into the main compartment (112). The hatch (115) closes and the CO2 supply valve (118) opens. The carbonation reaction occurs. Once the reaction is complete, the lower operable hatch (116) moves the materials into the lower compartment (113) and then closes.
Un dispositif d’extraction du CO2 gazeux (121) permet de réduire encore la pression dans le compartiment inférieur (113) à un niveau proche de la pression atmosphérique. Le CO2 gazeux extrait par le dispositif d’extraction (121) peut rejoindre le compartiment supérieur (111). Le dispositif d’extraction (121) comprend par exemple un système d’aspiration (122), de type compresseur volumétrique.A CO2 gas extraction device (121) further reduces the pressure in the lower compartment (113) to a level close to atmospheric pressure. The gaseous CO2 extracted by the extraction device (121) can reach the upper compartment (111). The extraction device (121) comprises for example a suction system (122), of the volumetric compressor type.
Le dispositif d’évent (120) peut être avantageusement disposé en hauteur pour chasser préférentiellement l’air plutôt que le CO2. Le dispositif d’évent (120) peut également être étanche, avec une ouverture commandée. Le dispositif d’évent (120) peut comporter alimenter d’autres accessoires tel que réservoir de gaz, avec un dispositif de la mesure de la quantité de CO2 rejetée.The vent device (120) can advantageously be arranged in height to preferentially expel air rather than CO2. The vent device (120) may also be waterproof, with controlled opening. The vent device (120) may include supplying other accessories such as a gas tank, with a device for measuring the quantity of CO2 released.
On observe, sur la
- Une ligne d’alimentation en CO2 liquide comportant un système de dosage en débit (201) et un système de mesure de quantité (202) et débouchant sur un réservoir de CO2 liquide sous pression (203) ;
- Un réservoir de CO2 liquide sous pression (203) ;
- Une pompe de CO2 liquide sous pression, (204) connecté au réservoir de CO2 liquide sous pression (203) et à un échangeur thermique (220) de type gaz/liquide.
- Un échangeur thermique (220) de type gaz/liquide, permettant d’une part un chauffage du CO2 gazeux restant en sortie de réacteur (210), et d’autre part le chauffage complémentaire du CO2 liquide
- Un échangeur thermique de type réchauffeur de CO2 liquide sous pression (205), connecté à l’échangeur (220) et au réacteur (210). Cet échangeur est également dit échangeur trans-critique ;
- Un réacteur (210) tel que décrit en
- Une entrée pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (218) ;
- Une sortie pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’évacuation (219) ;
- Un séparateur additionnel gaz / solide (206), avec une trappe actionnable étanche (207) ;
- Un échangeur thermique de type condenseur de CO2 gazeux (208) ;
- Un ensemble de tuyauteries connectant les composants, venant compléter le circuit CO2 (209) ;
- A liquid CO2 supply line comprising a flow rate dosing system (201) and a quantity measuring system (202) and opening onto a pressurized liquid CO2 tank (203);
- A pressurized liquid CO2 tank (203);
- A pressurized liquid CO2 pump (204) connected to the pressurized liquid CO2 tank (203) and to a gas/liquid type heat exchanger (220).
- A gas/liquid type heat exchanger (220), allowing on the one hand heating of the gaseous CO2 remaining at the reactor outlet (210), and on the other hand the complementary heating of the liquid CO2
- A pressurized liquid CO2 heater type heat exchanger (205), connected to the exchanger (220) and the reactor (210). This exchanger is also called a trans-critical exchanger;
- A reactor (210) as described in
- A supercritical CO2 inlet for the main compartment, with a supply valve (218);
- A supercritical CO2 outlet for the main compartment, with an exhaust valve (219);
- An additional gas/solid separator (206), with a watertight operable hatch (207);
- A gaseous CO2 condenser type heat exchanger (208);
- A set of pipes connecting the components, completing the CO2 circuit (209);
Le dispositif (20) peut être par exemple installé au sein d’une usine de production de béton, ou sur une plateforme de recyclage de déchets de béton.The device (20) can for example be installed within a concrete production plant, or on a concrete waste recycling platform.
Le réservoir (203) est par exemple, un réservoir cylindrique sous pression. Le CO2 liquide est stockée par exemple à une pression de l’ordre de 20 à 50 barThe tank (203) is for example a cylindrical pressure tank. Liquid CO2 is stored, for example, at a pressure of around 20 to 50 bar.
La pompe (204) est par exemple une pompe centrifuge, ou une pompe à membrane, permettant de pressuriser le CO2 liquide à une pression supérieure à 74 bar.The pump (204) is for example a centrifugal pump, or a membrane pump, making it possible to pressurize the liquid CO2 to a pressure greater than 74 bar.
L’échangeur (205) est par exemple un échangeur tube et calandre ou un échangeur à plaque brasée, permettant de chauffer le CO2 au-dessus de la température critique. Il est alimenté par une source chaude, non représentée.The exchanger (205) is for example a tube and shell exchanger or a brazed plate exchanger, making it possible to heat the CO2 above the critical temperature. It is fed by a hot spring, not shown.
L’invention (20) peut comporter plusieurs réacteurs (210) en parallèleThe invention (20) may include several reactors (210) in parallel
Le séparateur solide / gaz (206) est par exemple de type cyclone, avec une trappe inférieure (207) permettant de compléter l’étanchéité. Le séparateur solide/gaz (206) peut également comporter un sas et/ou des compartiments complémentaires pour améliorer l’étanchéité du dispositif et l’écoulement des matériaux solides hors du circuit, avec la perte minimale de CO2.The solid/gas separator (206) is for example of the cyclone type, with a lower hatch (207) allowing the seal to be completed. The solid/gas separator (206) may also include an airlock and/or additional compartments to improve the sealing of the device and the flow of solid materials out of the circuit, with minimal loss of CO2.
Le séparateur solide/gaz peut également être une filtre de type cartouche ou un jeu de filtres disposés en série et/ou parallèle afin de filtrer les particules qui seraient emportées par le flux gazeux hors du réacteur.The solid/gas separator can also be a cartridge-type filter or a set of filters arranged in series and/or parallel in order to filter the particles which would be carried away by the gas flow out of the reactor.
Du point de vue du cycle thermodynamique en jeu, le CO2 issu du réservoir (203 et pressurisé par la pompe (204) est ensuite réchauffé à une température supérieure à la température critique dans le réchauffeur trans-critique (205) et passe à l’état supercritique. Le flux de CO2 supercritique entre ensuite dans le réacteur (210) lorsque la vanne (218) est ouverte. A l’intérieur du réacteur (210), le CO2 rencontre les matériaux à carbonater. Lorsque la vanne de sortie (219) s’ouvre, le CO2 restant , non piégé, peut être acheminé vers le séparateur gaz/solide (206). L’échangeur (220) peut permettre une récupération de chaleur sur le flux sortant du réacteur (210) et du séparateur (206). L’échangeur (220), de type gaz/liquide peut permettre de récupérer de la chaleur pour préchauffer le liquide avant l’échangeur (205). Le CO2 gazeux est dirigé ensuite vers le condenseur (208) où il est refroidit puis liquéfié. Le CO2 liquide rejoint alors le réservoir (203) , pour recommencer le cycle. Une ligne d’alimentation en CO2 liquide comportant un système de dosage en débit (201) et un système de mesure de quantité (202) alimente le réservoir (203) pour compléter le niveau de CO2 liquide.From the point of view of the thermodynamic cycle in play, the CO2 coming from the tank (203 and pressurized by the pump (204) is then heated to a temperature higher than the critical temperature in the trans-critical heater (205) and passes to the supercritical state. The flow of supercritical CO2 then enters the reactor (210) when the valve (218) is opened. Inside the reactor (210), the CO2 meets the materials to be carbonated. ) opens, the remaining CO2, not trapped, can be routed to the gas/solid separator (206). The exchanger (220) can allow heat recovery from the flow leaving the reactor (210) and the separator (). 206). The gas/liquid type exchanger (220) can recover heat to preheat the liquid before the exchanger (205). The gaseous CO2 is then directed to the condenser (208) where it is cooled. then liquefied. The liquid CO2 then joins the tank (203), to start the cycle again. A liquid CO2 supply line comprising a flow metering system (201) and a quantity measuring system (202) supplies the tank. (203) to top up the liquid CO2 level.
L’échangeur (208) est par exemple un échangeur tube et calandre ou un échangeur à plaque brasée, permettant de refroidir et condenser le CO2 gazeux. Il est alimenté par une source froide, non représentée.The exchanger (208) is for example a tube and shell exchanger or a brazed plate exchanger, making it possible to cool and condense the gaseous CO2. It is powered by a cold source, not shown.
Le dispositif d’évent (120) d’un réacteur peut être connecté à un réservoir de gaz commun à d’autres dispositifs issus d’autres réacteur.The vent device (120) of a reactor can be connected to a gas tank common to other devices from other reactors.
On observe, sur la
Un dispositif de carbonatation (301) tel que décrit en
Un réacteur de carbonatation (310)A carbonation reactor (310)
Un échangeur (305) pour chauffer le CO2 liquide entrant dans le réacteur (310)An exchanger (305) for heating the liquid CO2 entering the reactor (310)
Un échangeur (308) pour refroidir et/ou liquéfier le CO2 gazeux sortant du réacteur (310)An exchanger (308) for cooling and/or liquefying the gaseous CO2 leaving the reactor (310)
Un circuit de pompe à chaleur (302), comportant à minima :
- Un compresseur (303)
- Un dispositif de détente (304)
- Un ensemble de tuyauterie et d’accessoires (305) transportant un fluide de travail entre les différents composants du circuit
- A compressor (303)
- A relaxation device (304)
- A set of piping and accessories (305) transporting a working fluid between the different components of the circuit
Le circuit de pompe à chaleur permet la récupération de chaleur sur l’échangeur (308) et l’évacuation de chaleur sur l’échangeur (305).The heat pump circuit allows heat recovery on the exchanger (308) and heat evacuation on the exchanger (305).
Le compresseur (103) peut être par exemple un compresseur volumétrique, scroll, à vis ou à piston. Le compresseur peut également être de type centrifuge. Le compresseur (103) peut permettre de comprimer le fluide de travail gazeux à basse pression en fluide de travail haute pression. Le compresseur (103) peut être composé de plusieurs étages de compression, le cas échéant avec des niveaux de pression intermédiaire.The compressor (103) can for example be a positive displacement, scroll, screw or piston compressor. The compressor can also be of the centrifugal type. The compressor (103) can compress the low pressure gaseous working fluid into the high pressure working fluid. The compressor (103) can be composed of several compression stages, where appropriate with intermediate pressure levels.
L’échangeur (305) pour chauffer le CO2 liquide au sein du dispositif (301) refroidit et condense le fluide de travail du circuit pompe à chaleur (302). Pour le fluide de travail, il peut être un échangeur de type condenseur. En sortie de l’échangeur (305), le fluide de travail est à l’état de liquide sous pression.The exchanger (305) for heating the liquid CO2 within the device (301) cools and condenses the working fluid of the heat pump circuit (302). For the working fluid, it can be a condenser type exchanger. At the outlet of the exchanger (305), the working fluid is in the state of liquid under pressure.
Le dispositif de détente (104) peut être une vanne de détente, permettant la détente du fluide de travail à l’état liquide haute pression en en fluide de travail diphasique (gaz/liquide) basse pression, à une température plus faible.The expansion device (104) may be an expansion valve, allowing expansion of the working fluid in the high-pressure liquid state into a low-pressure two-phase (gas/liquid) working fluid, at a lower temperature.
L’échangeur (308) pour refroidir et/ou condenser le CO2 liquide au sein du dispositif (301) réchauffe et/ou évapore fluide de travail du circuit pompe à chaleur (302). Pour le fluide de travail, il peut être un échangeur de type évaporateur. En sortie de l’échangeur (305), le fluide de travail est à l’état de gaz basse pression.The exchanger (308) to cool and/or condense the liquid CO2 within the device (301) heats and/or evaporates working fluid from the heat pump circuit (302). For the working fluid, it can be an evaporator type exchanger. At the outlet of the exchanger (305), the working fluid is in the state of low pressure gas.
L’ensemble de tuyauterie et d’accessoires (305) peut comporter des échangeurs de récupération intermédiaire, plusieurs niveaux de pression, et/ou des éjecteurs pour améliorer les performances du circuit pompe à chaleur.The piping and accessories assembly (305) may include intermediate recovery exchangers, several pressure levels, and/or ejectors to improve the performance of the heat pump circuit.
Le fluide de travail au sein du circuit pompe à chaleur peut être du CO2, ou un fluide de type propane, butane, pentane ou un mélange. Le fluide de travail peut également être de l’ammoniac, ou un fluide frigorigène de type HFO (Hydro-Fluoro-Olefin) ou HFE (Hydrofluoroether ).The working fluid within the heat pump circuit can be CO2, or a propane, butane, pentane type fluid or a mixture. The working fluid can also be ammonia, or an HFO (Hydro-Fluoro-Olefin) or HFE (Hydrofluoroether) type refrigerant.
On observe en
Dans ce mode particulier de mise en œuvre, le CO2 liquide est à une pression de 20 bar et de -18°C (représenté par le point 1). Il est ensuite comprimé jusqu’à 80 bar (point 2). La température augmente légèrement. Le CO2 est ensuite réchauffé à une température de 41°C (point 3) dans le domaine supercritique. Ensuite, au sein du compartiment du réacteur principal, la pression chute à environ 20 bar en lien avec la réaction de carbonatation et la modification du volume. Le CO2 non piégé devient gazeux à l’issue de ces actions et la température est légèrement réduite à 33 °C (point 4). Le CO2 non piégé est ensuite refroidi puis liquéfié dans le condenseur pour revenir aux conditions initiales (point 1).In this particular mode of implementation, the liquid CO2 is at a pressure of 20 bar and -18°C (represented by point 1). It is then compressed up to 80 bar (point 2). The temperature increases slightly. The CO2 is then heated to a temperature of 41°C (point 3) in the supercritical region. Then, within the main reactor compartment, the pressure drops to around 20 bar in connection with the carbonation reaction and the modification of the volume. The non-trapped CO2 becomes gaseous at the end of these actions and the temperature is slightly reduced to 33°C (point 4). The non-trapped CO2 is then cooled and then liquefied in the condenser to return to initial conditions (point 1).
On observe, sur la
- une étape (510) de carbonatation des matériaux, comportant :
- une étape d’entrée et de dosage des matériaux carbonatés (511) ;
- une étape d’entrée des matériaux dans les compartiments supérieurs du réacteur (512) ;
- une étape d’entrée dans le compartiment principal (513) ;
- une étape de réaction de carbonatation principale (514), induisant une baisse de pression dans le compartiment principal ;
- une étape d’entrée dans le compartiment inférieur (515), liée à l’ouverture d’une trappe actionnable, en augmentant le volume disponible, cette étape crée une baisse de pression supplémentaire permettant le changement d’état du CO2 supercritique vers un état gazeux ;
- une étape de sortie des matériaux carbonatés (516) ;
- une étape (520) d’extraction du CO2 gazeux résiduel du compartiment inférieur vers le compartiment supérieur, intervenant entre l’étape d’entrée dans le compartiment inférieur (515) et l’étape de sortie des matériaux carbonatés (516) ;
- une étape de liquéfaction du CO2 gazeux non piégé (530) ;
- une étape de stockage dans le réservoir de CO2 liquide (540) ;
- une étape de compression du CO2 liquide (550), à une pression supérieure à la pression critique, c’est-à-dire 73,7 bar ;
- une étape de chauffage transcritique du CO2 (560), c’est-à-dire à une température supérieure à 31°C ;
- une étape d’ajout de CO2 (570) , comprenant
- une étape d’ajout de complément de CO2, via le dispositif de dosage (571), par exemple une vanne ;
- une étape de mesure de la quantité de CO2 introduite via le dispositif de mesure (572), par exemple un débit-mètre ;
- a step (510) of carbonation of the materials, comprising:
- a step of entering and dosing the carbonated materials (511);
- a step of entering materials into the upper compartments of the reactor (512);
- an entry step into the main compartment (513);
- a main carbonation reaction step (514), inducing a drop in pressure in the main compartment;
- a step of entry into the lower compartment (515), linked to the opening of an operable trap, by increasing the available volume, this step creates an additional drop in pressure allowing the change of state of the supercritical CO2 towards a state gaseous;
- a step for releasing the carbonated materials (516);
- a step (520) of extracting the residual gaseous CO2 from the lower compartment to the upper compartment, occurring between the step of entering the lower compartment (515) and the step of exiting the carbonated materials (516);
- a step of liquefying the non-trapped CO2 gas (530);
- a storage step in the liquid CO2 tank (540);
- a step of compressing the liquid CO2 (550), at a pressure greater than the critical pressure, that is to say 73.7 bar;
- a step of transcritical heating of the CO2 (560), that is to say at a temperature above 31°C;
- a step of adding CO2 (570), comprising
- a step of adding additional CO2, via the dosing device (571), for example a valve;
- a step of measuring the quantity of CO2 introduced via the measuring device (572), for example a flow meter;
Ce procédé 50 est mis en œuvre, par exemple, par le dispositif 10 décrit en regard de la
Claims (7)
- Un ensemble de compartiments au minimum de 3, empilés verticalement et séparés chacun l’un de l’autre par une trappe actionnable, le compartiment principal (112) étant positionné entre deux compartiments.
- Un ou plusieurs compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment principal (112) ;
- Un ou plusieurs compartiments inférieurs (113) , situés en dessous du compartiment principal (112) ;
- une trappe actionnable (114) entre l’air ambiant et les compartiments supérieurs (111), faisant office d’entrée des matériaux à carbonater ;
- une trappe actionnable (115) entre les compartiments supérieurs (111) et le compartiment principal (112) ;
- une trappe actionnable (116) entre le compartiment principal (112) et les compartiment inférieurs (113) ;
- une trappe actionnable (117) entre les compartiments inférieurs (113) et l’air ambiant, faisant office de sortie des matériaux carbonatés ;
- Une entrée pour le CO2 pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (118) ;
- Une sortie pour le CO2 pour le compartiment principal, avec une vanne d’évacuation (119) ;
- Un évent d’évacuation (120) dans les compartiments supérieurs (111) situés au-dessus du compartiment central (112), avec un dispositif d’ouverture piloté et étanche ;
- Un dispositif d’aspiration du CO2 gazeux (121) connectant les compartiments inférieurs (113) aux compartiments supérieurs (111), et comportant un dispositif de transfert (122);
- A set of compartments of at least 3, stacked vertically and each separated from one another by an operable hatch, the main compartment (112) being positioned between two compartments.
- One or more upper compartments (111) located above the main compartment (112);
- One or more lower compartments (113), located below the main compartment (112);
- an operable hatch (114) between the ambient air and the upper compartments (111), serving as an entry point for the materials to be carbonated;
- an operable hatch (115) between the upper compartments (111) and the main compartment (112);
- an operable hatch (116) between the main compartment (112) and the lower compartments (113);
- an operable hatch (117) between the lower compartments (113) and the ambient air, serving as an outlet for carbonated materials;
- A CO2 inlet for the main compartment, with a supply valve (118);
- A CO2 outlet for the main compartment, with an exhaust valve (119);
- An exhaust vent (120) in the upper compartments (111) located above the central compartment (112), with a pilot-operated and waterproof opening device;
- A CO2 gas suction device (121) connecting the lower compartments (113) to the upper compartments (111), and comprising a transfer device (122);
- Une ligne d’alimentation en CO2 liquide comportant un système de dosage en débit (201) et un système de mesure de quantité (202) et débouchant sur un réservoir de CO2 liquide sous pression (203) ;
- Un réservoir de CO2 liquide sous pression (203) ;
- Une pompe de CO2 liquide sous pression, (204) connecté au réservoir de CO2 liquide sous pression (203) et à un échangeur thermique (220) de type gaz/liquide.
- Un échangeur thermique (220) de type gaz/liquide, permettant d’une part un chauffage du CO2 gazeux restant en sortie de réacteur (210), et d’autre part le chauffage complémentaire du CO2 liquide
- Un échangeur thermique de type réchauffeur de CO2 liquide sous pression (205), connecté à l’échangeur (220) et au réacteur (210). Cet échangeur est également dit échangeur trans-critique ;
- Un réacteur (210) selon l’une des quelconques revendications 1 à 3, et comportant :
- Une entrée pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’alimentation (218) ;
- Une sortie pour le CO2 supercritique pour le compartiment principal, avec une vanne d’évacuation (219) ;
- Un séparateur additionnel gaz / solide (206), avec une trappe actionnable étanche (207) ;
- Un échangeur thermique de type condenseur de CO2 gazeux (208) ;
- Un ensemble de tuyauteries connectant les composants, venant compléter le circuit CO2 (209) ;
- A liquid CO2 supply line comprising a flow rate dosing system (201) and a quantity measuring system (202) and opening onto a pressurized liquid CO2 tank (203);
- A pressurized liquid CO2 tank (203);
- A pressurized liquid CO2 pump (204) connected to the pressurized liquid CO2 tank (203) and to a gas/liquid type heat exchanger (220).
- A gas/liquid type heat exchanger (220), allowing on the one hand heating of the gaseous CO2 remaining at the reactor outlet (210), and on the other hand the complementary heating of the liquid CO2
- A pressurized liquid CO2 heater type heat exchanger (205), connected to the exchanger (220) and the reactor (210). This exchanger is also called a trans-critical exchanger;
- A reactor (210) according to any one of claims 1 to 3, and comprising:
- A supercritical CO2 inlet for the main compartment, with a supply valve (218);
- A supercritical CO2 outlet for the main compartment, with an exhaust valve (219);
- An additional gas/solid separator (206), with a watertight operable hatch (207);
- A gaseous CO2 condenser type heat exchanger (208);
- A set of pipes connecting the components, completing the CO2 circuit (209);
- Un dispositif de carbonatation (301) comportant :
- Un réacteur de carbonatation (310) ;
- Un échangeur (305) pour chauffer le CO2 liquide entrant dans le réacteur (310) ;
- Un échangeur (308) pour refroidir et/ou liquéfier le CO2 gazeux sortant du réacteur (310) ;
- Un circuit de pompe à chaleur (302), comportant à minima :
- Un compresseur (303) ;
- Un dispositif de détente (304) ;
- Un ensemble de tuyauterie et d’accessoires (305) transportant un fluide de travail entre les différents composants du circuit ;
- A carbonation device (301) comprising:
- A carbonation reactor (310);
- An exchanger (305) for heating the liquid CO2 entering the reactor (310);
- An exchanger (308) for cooling and/or liquefying the gaseous CO2 leaving the reactor (310);
- A heat pump circuit (302), comprising at least:
- A compressor (303);
- A relaxation device (304);
- A set of piping and accessories (305) transporting a working fluid between the different components of the circuit;
- une étape (510) de carbonatation des matériaux, réalisée dans un réacteur de carbonatation de matériaux (10) selon l’une des revendications 1, 2 ou 3, comportant :
- une étape d’entrée et de dosage des matériaux carbonatés (511) ;
- une étape d’entrée des matériaux dans les compartiments supérieurs du réacteur (512) ;
- une étape d’entrée dans le compartiment principal (513) ;
- une étape de réaction de carbonatation principale (514) ;
- une étape d’entrée dans le compartiment inférieur (515) ;
- une étape de sortie des matériaux carbonatés (516) ;
- une étape (520) d’extraction du CO2 gazeux résiduel du compartiment inférieur vers le compartiment supérieur
- une étape de liquéfaction du CO2 gazeux non piégé (530)
- une étape de stockage dans le réservoir de CO2 liquide (540)
- une étape de compression du CO2 liquide (550)
- une étape de chauffage transcritique du CO2 (560)
- une étape d’ajout de CO2 (570) , comprenant
- une étape d’ajout de complément de CO2, via le dispositif de dosage (571)
- une étape de mesure de la quantité de CO2 introduite via le dispositif de mesure (572)
- a step (510) of carbonating the materials, carried out in a reactor for carbonating materials (10) according to one of claims 1, 2 or 3, comprising:
- a step of entering and dosing the carbonated materials (511);
- a step of entering materials into the upper compartments of the reactor (512);
- an entry step into the main compartment (513);
- a main carbonation reaction step (514);
- an entry step into the lower compartment (515);
- a step for releasing the carbonated materials (516);
- a step (520) of extracting residual gaseous CO2 from the lower compartment to the upper compartment
- a step of liquefying the non-trapped gaseous CO2 (530)
- a storage step in the liquid CO2 tank (540)
- a step of compressing the liquid CO2 (550)
- a step of transcritical heating of CO2 (560)
- a step of adding CO2 (570), comprising
- a step of adding additional CO2, via the dosing device (571)
- a step of measuring the quantity of CO2 introduced via the measuring device (572)
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5518540A (en) | 1995-06-07 | 1996-05-21 | Materials Technology, Limited | Cement treated with high-pressure CO2 |
US6264736B1 (en) | 1997-10-15 | 2001-07-24 | Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College | Pressure-assisted molding and carbonation of cementitious materials |
WO2021228979A1 (en) | 2020-05-15 | 2021-11-18 | ETH Zürich | Method and system for processing concrete granules |
FR3113465A1 (en) | 2021-01-08 | 2022-02-25 | Fives Fcb | Forced carbonation process of a fine fraction of deconstruction concrete |
-
2022
- 2022-12-28 FR FR2214596A patent/FR3144528A1/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5518540A (en) | 1995-06-07 | 1996-05-21 | Materials Technology, Limited | Cement treated with high-pressure CO2 |
US6264736B1 (en) | 1997-10-15 | 2001-07-24 | Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College | Pressure-assisted molding and carbonation of cementitious materials |
WO2021228979A1 (en) | 2020-05-15 | 2021-11-18 | ETH Zürich | Method and system for processing concrete granules |
FR3113465A1 (en) | 2021-01-08 | 2022-02-25 | Fives Fcb | Forced carbonation process of a fine fraction of deconstruction concrete |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
DOS REIS ET AL., EFFECT OF THE ACCELERATED CARBONATION TREATMENT ON THE RECYCLED SAND PHYSICO-CHEMICAL CHARACTERISTICS THROUGH THE ROLLING CARBONATION PROCESS, 2020 |
HO: "Carbonation of concrète and its prédiction", CEMENT AND CONCRETE RESEARCH, vol. 17, 3 May 1987 (1987-05-03), pages 489 - 504 |
Z.CAO: "The sponge effect and carbon émission mitigation potentials of the global cement cycle", NATURE, 2020 |
ZHAN BAOJIAN ET AL: "Experimental study on CO2curing for enhancement of recycled aggregate properties", CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS, ELSEVIER, NETHERLANDS, vol. 67, 26 September 2013 (2013-09-26), pages 3 - 7, XP029016617, ISSN: 0950-0618, DOI: 10.1016/J.CONBUILDMAT.2013.09.008 * |
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