Brevet FR2586031A1 — publié le 19870213

La présente invention concerne un Procédé et ses dispositifs destinés à la fabrication de charbon de bois La fabrication actuelle du charbon de bois est réalisée en utilisant les technologies e; t techniques -suivantes: Technologie du transfert de chaleur par conduction au travers d'une paroie; c'est la technique de la cornue: Bien que cette technique permette la fabrication d'un charbon de bois de première qualité, son exploitation en est de plus en plus abandonnée eu égard aux importants besoins énergétiques qu'elle engendre. Technologie du feu direct par combustion préalable d'une partie du bois et étouffage: C'est la technique de la meule ancestrale et des équipements dérivés tels que four à viroles métalliques, fours cloche, fours télescopiques et autres fours dits artisanaux. Cette technique présente l'inconvénient de consommer une partie importante de la matière première. De plus, cette technique provoque une gene consi .dérable pour l'environnement et engendre une pollution atmosphérique qui est maintenant interdite par les lois en vigueur. Technologie du transfert de chaleur par échange direct du type solide/gaz: C'est la technique utilisée en carbonisation Industrielle dans des fours verticaux ou rotatifs horizontaux, ou encore horizontaux à grilles oscillantes ou à chaine trainante. Dans cette technique, le bois est chauffé par les fumées chaudes provenant d'un foyer ou brûleur lui même alimenté par les gaz de pyrolyse. Ces fours présentent l'avantage de fonctionner en continu mais les frottements et chocs subis par le produit en cours d'opération provoquent une érosion génératrice de poussières abondantes ainsi que des produits fins non comiercialisables en l'état. Ce type de four nécessite l'utilisation de sas étouffoirs qui en pénalisent le rendement et présentent des inconvénients et dangers inhérents à leur manipulation. tous les fours précédemment cités nécessitent l'utilisation d'un bois très sec. Des tentatives de four pouvant fonctionner avec des bois verts ou mouillés ont été réalisées tant en France qu'hors de Prance. Une première technique avait mis en oeuvre un système de wagonnets circulant dans plusieurs chambres en enfilade, l'objectif étant de pouvoir sécher le bois avec les gaz chauds provenant d'une chambre dite de carbonisation. Une autre technique avait mis en oeuvre un système de four vertical à double enveloppe, l'objectif étant de pouvoir sécher le bois situé en partie supérieure du four avec les fumées issues d'une combustion des gaz de pyrolyse, lesquels gaz de pyrolyse étaient captés dans la double enveloppe en amont de la couche de bois humide. Jusqu'à ce jour, aucune technique ne semble avoir résolu le problème de la carbonisation des bois verts ou mouillés, ce qui oblige les Industriels de cette spécialité à recourir soit au séchage à l'air sur parc-(ce qui implique d'importants frais financiers de stockage), soit à construire des équipements de séchage traditionnels (ce qui implique d'importants investissements). De l'ensemble de cette revue technique, il apparait également, à l'exeption de quelques tentatives, qu'aucun Procédé ne permet un refroidissemnt rapide du charbon de bois ainsi obtenu dans les fours. Parmi les tentatives effectuées, une technique avait mis en oeuvre l'immersion du charbon de bois incandescent en fosse ouverte alimentée en C 02. Après l'intoxication des ouvriers chargés de cette opération, le procédé a été abandonné. Une autre technique utilisée en four vertical met en oeuvre la recirculation des gaz de pyrolyse après leur épuration. (dégoudronnage en particulier) Cette technique nécessite un important investissement pour l'équipement de dégoudronnage des gaz sans que cela évite un nettoyage constant des circuits immobilisant la production. Le Procédé selon l'invention, apporte une solution à tous les inconvénients précédemment cités en permettant une fabrication de charbon de bois avec des bois verts ou mouillés, sans rejet des gaz de pyrolyse à l'atmosphère, sans rejet de produit pyrolygneux liquides, sans production de poussières ni fines, avec refroidissement rapide du charbon de bois à l'intérieur du four. Ce Procédé, selon l'invention, est basé sur la technologie des échanges thermiques directs solide/gaz. Il utilise la technique de combustion-oxydo-réductrice d'une partie de la charge pour la phase carbonisation, la technique de combustion stoechiometrique des gaz pour la phase séchage et la technique de la détente des gaz inertes pour la phase refroidissement ainsi que la technique de la carbonisation statique en panier. Le Procédé met en oeuvre les dispositifs suivants : -Un ensemble de 3 enceintes de pyrolyse, étanches entre elles et correctement isolées thermiquement, reliées entre elles par un réseau de gaines étanches et vannes étudié pour permettre des communications réversibles entre 2 enceintes quelconque de l'ensemble de façon à obtenir simultanément une enceinte en phase carbonisa tion, une enceinte en phase séchage et une enceinte en phase refroidissement. -Un système de soufflage d'air par ventilateur, gaines et vannes pour chacune des enceintes de pyrolyse. -Un système de combustion stoêchiométique des gaz de pyro lyse issus de l'enceinte en phase carbonisation. -Un système de condensation des vapeurs d'eau issues de l'enceinte en phase séchage du bois. -Un système de refroidissement rapide du charbon de bois par circulation forcée en circuit fermé d'un gaz inerte réfrigéré. -Un système de carneau central en partie inférieure de chaque enceinte de pyrolyse. -Un système de 2 carneaux latéraux en partie inférieure de chaque enceinte de pyrolyse. -Un système de supportage du récipient contenant la charge, ce récipient pouvant être un panier. -Un ensemble d'instruments de controle opératoire composé de capteurs thermiques, indicateurs numériques, analyseurs de gaz 02/Co/C02/ et appareils de mesure des pressions. La figure 1 représente le schéma du Procédé. La figure 2 représente le shéma opératoire lorsqu'une enceinte est en phase carbonisation, l'autre enceinte en phase séchage et la troisième enceinte en phase refroidis- sement. La figure 3 représente le système de soufflage:d'aiL, La figure 4 représente le système de combustion des gaz de pyrolyse. La figure 5 représente le système de condensation des vapeurs d'eau issues du séchage du bois. La figure 6 représente le système de refroidissemnt rapide. La figure 7 représente le système de carneau central. ta figure 8 représente la coupe AA de la figure 7. Ld figure 9 représente le système des deux carneaux latéraux. La figure 10 représente la coupe AA de la figure 9. F figure 11 représente e système de supportage du récipient contenant la charge. La figure 12 représente la coupe AA de la figure 11. Le schéma de Procédé représenté sur la figure I comporte trois enceintes de pyrolyse (1) (2) (3) dont les dimensions intérieures selon une forme préférentielle sont de 5.600 mm pour la longueur, 2.600 mm pour la largeur et 2.500 mmpour la hauteur. Chaque enceinte comporte un collecteur (4) situé sur sa partie supérieure et dont le diamètre intérieur est de 400 mm. Ce collecteur reçoit en ses extrémités les gaz ou fluides en provenance des systèmes de combustion (5) et (6) De ce collecteur partent trois gaines (7) (8) (9) destinés à alimenter respectivement les circuits gaz chauds (10) vapeur d'eau (11) et gaz inerte (12). La gaine (7) et le circuit gaz chaud (10) ont un diamètre intérieur de 300 mm. La gaine (8) et le circuit vapeur d'eau (11) ont un diamètre de 200 mm. La gaine (9) et le circuit gaz inerte (12) ont un diamètre de 200 mm. Le circuit gaz chaud est commandé par les vannes (13) et (14). Le circuit vapeur d'eau est commandé par les vannes (15). L circuit gaz inerte est commandé par les vannes (16)et(17), L'injection de gaz inerte s'effectuant par la vanne (18), la décompression et la purge du circuit s'effectuant par la vanne (19), la circulation du gaz inerte s'effectuant par le ventilateur (20) et le refroidissement du gaz inerte en circulation s'effectuant dans la cuve de détente (21). L'air de combustion partielle de la charge à l'intérieur de l'enceinte en phase carbonisation est produit par ventilateur (22) et acheminé vers cette enceinte par le circuit-(23) et la gaine (24), la commande de cet air de combustion s'effectuant par la vanne (25). Le circuit (23) alimente également en air les systèmes de combustion des gaz (5) et (6). Cette alimentation s'effectue par les gaines (26) et (27) commandées par les vannes (28) et (29). Le schéma opératoire de la figure 2 représente l'enceinte (1) en phase carbonisation, l'enceinte (2) en phase séchage, l'enceinte (3) en phase refroidissement. Les vannes ouvertes sont repérées par la lettre (O), les vannes fermées sont repérées par la lettre (F). L'eau condensée est récupérée en (49) à la sortie du condenseur (30) et du séparateur-de gouttelettes (31). Tel que représenté, le Procédé permet d'assurer une extraction de charbon de bois froid en cascade toutes les huit heures, le cycle complet pour une enceinte étant de vingt quatre heures dont huit heures de séchage, huit heures de carbonisation, six heures de refroidissement, et deux heures pour les manoeuvres d'entrée et sortie de charge avec réserve pour aléas. La figure 3 représente le circuit de soufflage d'air pour une enceinte en cours de carbonisation. Le réglage des débits d'air est fonction des températures captées à l'intérieur de l'enceinte et transmises aux indicateurs numériques. Ce réglage s'effectue au moyen de la vanne (255. La combustion stoechiométrique des gaz de pyrolyse dans (5) et (6) est réglée au moyen des vannes (28) et (29). L'équilibre des pressions d'entrée aux vannes (25) (28) (29) est apportée par l'utilisation de la pression dynamique du ventilateur (22). Le dimensionnement du circuit souflage d'air est calculé en fonction de la puissance et du débit du ventilateur utilisé. Le système de combustion des gaz de pyrolyse représenté sur la figure 4 se compose de deux chaudières constituées chacune d'une boite à gaz (32) raccordée à l'enceinte de pyrolyse par un conduit (33) d'un brûleur (34) d'un allumeur par résistance électrique(35) fixé dans le brûleur par le tampon isolé t36), d'un corps de chaudière (37) d'une boite à fumée(38) raccordée au collecteur (4) par un conduit (39). Une sécurité de pression estassurée par le tube (40) dont l'extrêmité(41) est immergé d'environ 150 mm dans l'eau contenue dans le récipient ouvert (42). L'air de combustion est injecté dans une boite à air (43) par une tubulure(44) et traverse le tubez40) pae seize trous (4S) pour se mélanger avec les gaz de pyrolyse dans la boite à gaz (32) Le mélange air plus gaz est allumé par l'allumeur (35). L'ensemble est calculé et dimensionné pour obtenir une combustion stoechiométrique en fonction du débit et de la composition. des gaz de pyrolyse par l'application des règles physico-chimiques de la combustion des gaz. Le système de condensation des vapeur d'eau issues du séchage du bois représenté sur la figure 5 se compose d'une gaine(8) raccordée au collecteur déjà décrit en figure i, d'une vanne(15) commandant l'ouverture ou la fermeture d'accés au circuit tubulaire(11), d'un condenseur(3o) d'un séparateur de gouttelettes (31), d'une cuve ouverte (46) dans laquelle sont immergés d'environ 150 mm les tubes (47) et (48)d'évacuation des eaux condensées du condenseur et du séparateur de gouttelettes, d'un conduit (49) d'évacuation des eaux positionné sur la cuve de façon à conserver le niveau de 150 mm précédemment cité. Le condenseur est du type laveur à voie humide avec pulvérisation d'eau et garnissage par anneaux. L'eau de pulvérisation est captée dans la cuve ou bassin alimenté à partir du conduit (49) et injectée dans le condenseur par un conduit (50). Le système de refroidissement rapide repré- senté sur la figure 6 se compose d'une gaine (9) raccordé au collecteur déjà décrit en figure 1, d'une vanne (16) commandant l'ouverture ou la fermeture d'accés au circuit tubulaire(12), d'une cuve de détente (21), d'un ventilateur étanche de circulation (20)raccordée à la sortie du ventilateur (20), d'un conduit (54) effectuant la liaison entre la gaine (53)et l'enceinte contenant la charge à refroidir par l'intermédiaire de la vanne (17) L'inertage de l'ensemble cuve/enceinte /collecteur/gaine s'effectue par injection d'un'gaz inerte (de préférence sous forme liquéfié) dans la cuve de détente(2i).au moyen d'une tubulure (55) commandée par une vanne (18). La pression dans l'ensemble est contrôlée au moyen d'un tube en U (56) raccordé à la cuve (21l L'excés de pression éventuel est déchargé au moyen d'une vanne (19). Le contrôle des températures en amont et en aval du ventilateur de circulation est réalisé au moyen des capteurs thermiques (57) reliés chacun à un indicateur numérique. La pression de service de l'ensemble se situe entre 300 et 800 Pa. Le système de carneau central représenté sur les figures 7 et 8 se compose de deux paroies latérales (sE réalisées en matériaux réfractaires coté face chaude et en matériaux isolant coté face froide. La hauteur de ce carneau est de 400 mm sur toute la longueur de l'enceinte, la largeur intérieure est de 500 mm. La partie supérieure du carneau est recouverte de plaques métalliques(59)percées de trous;(60) et équipées de ventelles (61) Les paroies )58) recoivent le système de supportage du récipient contenant la charge (voir figure 11), le glissement ou roulement de ce support sur les paroies du carneau pouvant s'effectuer en utilisant une technique conucrtelle que glissières ou galets non représentée sur la figure. De façon préférencielle, les plaques métalliques ont une épaisseur de 10 mm, une largeur de 150 mm, et une longueur de 700 mm. Chaque plaque(59) est percée de trois trous (60) ayant chacun un diamètre de 25 mm. Chaque plaque (59)est équipée d'une ventelle (61)inclinée à 300. Cette ventelle est dimensionnée à îOmm d'épaisseur, 100 mm de largeur et 400 mm de longueur.La ventelle est positionnée en amont des trous (60)de telle façon que le fluide gazeux circulant dans le carneau suivant le sens de la flèchetF) crée une zone de dépression derrière la ventelle et provoque une aspiration du fluide gazeux en face des trous (60) Le carneau communique au travers de la paroie de l'enceinte de pyrolyse avec la gaine de diamètre 300 mm précédemment citée au moyen d'un conduit (54)ayant un diamètre de 300 mm. Le systeme de deux carneaux latéraux repré senté sur les figures 9 et 10 se compose pour chaque carneau de deux paroies latérales (62)réalisées en matériaux isolants. La hauteur intérieure de chaque carneau est de 400 m sur toute la longueur de l'enceinte et la largeur intérieure entre paroies est de 200 mm. Chaque carneau est recouvert en partie supérieure de plaques métalliques(63) percées de trous (64) De façon préférentieller chaque plaque métallique aura une longueur de 400 mm, une largeur de 300 mm et une épaisseur de 10 mm. Chaque plaque(63) est- percée en son centre d'un trou(64) de diamètre 50 mm. Chacun des carneaux communique au travers de la paroie de l'enceinte de pyrolyse avec la boite à gaz de la chaudière précédemment citée au moyen d'un conduit(65).Ce conduit est dimensionné par une longueur de 200 mm et une hauteur de 130 mm. Le système de supportage du récipient contenant la charge représenté sur les figures 11 et 12 est caractérisé d'une part par deux longerons(66) coupés en leur milieu et assemblés par un jeu d'éclisses(67) et boulons. Selon une forme préférentielle, les longerons sont constitués d'un profilé métallique type IPE 200 et d'éclisses épaisseur 20 mm assemblées par douze boulons de diamètre 20 mm. Caracterisé d'autre part par un ensemble de traverses (68) assembLées swr les Songerons avec un écartement d'axe en axe de 500 mm. Chaque traverse est coupée en quatre tronçons 68-1; (68-2), 068-3),(68-4). Les tronçons sont assemblés entre eux par un jeu d'éclisses (69) et-boulons. Selon une forme préférentielle, les-traverses sont constituées d'un profilé métallique type IPE 100 et d'éclisses épaisseur 10 mm as semblées par huit boulons de diamètre 14 mm. Les tronçons (68-2) et (68-3) sont fixés par soudure sur les longerons (66). Les assemblages des éclisses et boulons sont serrés pour être glissant juste. La rigidité de stucture entre profilés métalliques et éclisses est obtenu par un dimensionnement de la largeur d'éclisse permettant de glisser juste à l'intérieur du profilé métallique. Ce système est prévu pour supporter sans déformation préjudiciable une température de 500 C pendant huit heures. Le Procédé et les dispositifs qu'il met en oeuvre selon l'invention est particulièrement destiné à la fabrication du charbon de bois. Il est extensible par modules de trois enceintes de pyrolyse. Il est utilisable pour toutes opérations de coke faction de matières hydrocarbonées, toutes opérations de pro duction de gaz combustible à partir de matières ligno-cellu losiques et/ou hydrocarbonées, et toutes opérations de sécha ge et/ou deshydratation et/ou torréfaction. Il est utilisable également pour la deshydra tation des gypses en vue d'obtenir des platres. REVENDICATIONS 1) Groupe de carbonisation auto-sécheur et refroidisseur caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un Procédé utilisant la technique de l'échange thermique solide/gaz dans un système de carbonisation statique en panier sur support résistant aux contraintes thermiques associée à la technique de la combustion oxydo-réductrice de la charge, à la technique de la combustion stoechiométrique des gaz de pyrolyse dont les fumées chaudes sont récupérées pour assurer le séchage rapide de la matière première, et à la technique du refroidissement de la charge par un gaz inerte en circulation forcée, dans un système de trois enceintes de pyrolyse reliées entre elles de façon réversible par un réseau de gaines étanches et vannes, dont une enceinte est en phase carbonisation simultanément avec une enceinte en phase séchage et une enceinte en phase refroidissement, destiné principalement à la fabrication du charbon de bois sans rejet à l'atmosphère des gaz de pyrolyse. 2) Groupe de carbonisation auto-sécheur et refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la combustion oxydo-rédutrice d'une partie de la charge pour chacune des enceintes de pyrolyse est produit avec un système de soufflage d'air par un ventilateur, gaines et vannes dont le réglage de débit d'air est commandé en fonction des températures captées à l'intérieur de l'enceinte de pyrolyse contenant la charge en carbonisation. 3) Groupe de carbonisation auto-sécheur et refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz de pyrolyse issus de la carbonisation sont détruits par combustion stoechiométrique avec un système de chaudières dans lesquelles le maintien de l'inflammation des gaz est obtenu par une résistance électrique faisant fonction d'allumeur permanent et dans lesquelles l'air de combustion possède la même pression dynamique que l'air de combustion oxydo-réductrice de la charge. 4) Groupe de carbonisation autosécheur et refroidisseur selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les fumées chaudes issues de la combustion stoechiométrique des gaz de pyrolyse sont utilisées pour le séchage des bois contenus dans une autre enceinte par le moyen d'un réseau réversible de gaines et vannes dans lequel le sens et la pression d'écoulement des fumées chaudes sont commandés par les pressions équilibrées de l'air insuflé à la fois dans l'enceinte de pyrolyse en phase carbonisation et dans les chaudières de combustion des gaz de pyrolyse. 5) Groupe de carbonisation autosécheur et refroidisseur selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que les vapeurs d'eau issues de l'opération de séchage du bois sont condensées dans un système de condenseur et séparateur de gouttelettes par moyen d'un réseau réversible de gaines et vannes dans lequel le sens et la pression d'écoulement de la vapeur d'eau sont commandés par la pression existant dans l'enceinte en cours d'opération de séchage, laquelle pression est le résultat des pressions exercées en amont du circuit et en provenance de l'insuflation d'air de combustion à la fais dans l'enceinte en cours de carbonisation et dans les chaudières de combustion des gaz de pyrolyse. 6) Groupe de carbonisation autosécheur et refroidisseur selon les revendications 1, 2, 3, 4, et 5, caractérisé en ce que le refroidissement rapide du charbon de bois est obtenu au moyen d'un réseau réversible de gaines et vannes en utilisant une circulation de gaz inerte en circuit fermé et sous pression, le refroidissement étant obtenu par détente du gaz inerte. 7) Groupe de carbonisation auto- sécheur et refroidisseur selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, et 6, caractérisé en ce que chaque enceinte de pyrolyse est équipée en sa partie inférieure d'un système de carneau central et d'un système de deux carneaux latéraux pour assurer une bonne répartition des échanges solide/gaz en l'une quelconque des phases opératoires. 8) Groupe de carbonisation auto-sécheur et refroidisseur selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, caractérisé en ce que le récipient contenant la charge, dans l'une quelconque des enceintes de pyrolyse, est positionné au dessus du carneau central au moyen d'un support métallique dont les constituants sont assemblés par des systèmes d'éclisses et boulons judicieusement positionnés pour permettre à cette structure de subir des contraintes thermiques jusqu'à 5000 C sans déformation préjudiciable. 9) Application du groupe de carbonisation autosécheur et refroidisseur selon les revendications 1 à 8 pour la fabrication du charbon de bois en utilisant des bois verts ou mouillés comme matière première. 10) Application du procédé selon les revendications 1 à 8 pour toutes opérations de cokéfaction de matières hydrocarbonés, toutes opérations de production de gaz combustible à partir de matières ligno-cellulosiques et/ou hydrocarbonées, toutes opérations de séchage, deshydratation et/ou torréfactien, ainsi que pour la deshydratation des gypses en vue d'obtenir des plâtres. 11) Application du Procédé selon les revendications 1 à 10 par extension des systèmes à six, neuf, douze enceintes, ou tout autre multiple de trois. 12) Application du Procédé selon les revendications 1 à il, quelque soit la forme et le type de construction des enceintes.