Brevet FR2614625A1 — publié le 19881104

PRODUIT LIGNO-GELLULOSIQUE TORREFIE A FAIBLE TENEUR EN BENZOPYRENE, SON PROCEDE DE FABRICATION ET L'APPAREILLAGE NECESSAIRE A LA MISE EN OEUVRE DUDIT PROCEDE La présente invention concerne un produit ligno-cellulosique torréfié à faible teneur en benzopyrène, son procédé de fabrication et l'appareillage nécessaire à la mise en oeuvre dudit procédé. On connaît depuis longtemps tout l'intérêt potentiel présenté par le bois torréfié. Son utilisation, dans le domaine des gazogènes, était déjà préconisé en 1934. On a, par ailleurs, proposé depuis longtemps déjà des procédés et appareillages destinés à mener à bien le processus de torréfaction du bois. Dans le type d'installation décrite par exemple dans le FR-A-839732, des bûchettes de bois sont introduites dans la cheminée d'un four, ouverte à l'air libre ; elles descendent progressivement dans cette cheminée par l'intermédiaire d'un plateau horizontal tournant, tandis que des gaz chauds sont introduits pour traverser la masse de bûchettes de bas en haut, afin de porter le bois à environ 280"C dans la zone inférieure. Malgré l'ancienneté de ces techniques, on constate que le bois torréfié nta pas encore trouvé véritablement d'applications industrielles ; en effet, jusqu'à une date récente, aucun travail sérieux n'avait été fait pour déterminer de façon précise les conditions thermiques et cinétiques permettant d'obtenir du bois torréfié dans des conditions économiquement avantageuses et reproductibles. On a récemment proposé (EP-B-0 073 714) un procédé de torréfaction selon lequel on soumet une matière ligneuse d'origine végétale à un traitement de torréfaction en atmosphère neutre (azote) à une température comprise entre 200 et 280"C. L'appareillage préconisé pour. réaliser ce traitement est un four tournant. Ce document souligne donc ltimportance de travailler dans ce domaine de température en atmosphère neutre, afin d'éviter tout phénomène de déclenchement d'une réaction exothermique de pyrolyse. Dans ce système, le transfert thermique du générateur de chaleur vers la matière ne saurait, par ailleurs, être uniforme ce qui fait que le produit final obtenu ne présente pas un caractère homogène. Le bois torréfié obtenu par mise en oeuvre de ce procédé présente, d'autre part, une teneur en carbone fixe comprise entre 35 et 40 %. Cette caractéristique, associée à la non-homogénéité du produit obtenu, qui n'est pas gênante pour les utilisations comme agent réducteur en métallurgie par exemple, interdit l'emploi de ce bois torréfié pour certains usages tels que le barbecue. On sait, en effet, que la teneur en benzopyrène d'un bois torréfié croît avec la teneur en carbone fixe, cette teneur en carbone fixe étant déterminée par la relation suivante carbone fixe = 100 - (cendres + matières volatiles). Cette teneur en benzopyrène, qui est de un microgramme par kilo pour un produit à 27 96 de carbone fixe, se monte à cinq microgrammes par kilo pour un produit à 35 % de carbone fixe pour atteindre dix microgrammes par kilo pour un produit à 40 % de carbone fixe. Ces teneurs sont beaucoup trop élevées pour un usage en barbecue notamment, puisque l'on sait que les normes européennes ne tolèrent qu'une teneur en benzopyrène (identifié comme agent cancérigène et tératogène) inférieure à trois microgrammes. L'Inventeur a pu déterminer, de façon surprenante, au cours de ses recherches qu'il était possible de disposer de produits ligno-cellulosiques torréfiés, de composition parfaitement homogène, et dont la teneur en benzopyrène était inférieure à cette teneur critique de trois microgrammes par kilo. II s'agit la' d'un produit tout à fait nouveau et qui trouve des applications intéressantes, notamment comme combustible dans les installations de cuisson alimentaire, à ciel ouvert, telles que les barbecues. Le produit ligno-cellulosique torréfié selon l'invention est caractérisé en ce qu'il présente, de façon homogène, un taux de carbone fixe compris entre 27 et 30 % et en ce qu'il est, d'autre part, susceptible d'être aggloméré sans l'addition d'aucun liant ; ce fait constitue également une caractéristique importante de sécurité pour son emploi dans les barbecues. Un procédé d'obtention du produit ligno-cellulosique torréfié selon l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer le traitement de torréfaction dans des conditions strictement contrôlées par la seule action des gaz de torréfaction circulant à travers un lit fixe de matière ligno-cellulosique à une vitesse d'environ I m3 par seconde et par m3 de matière et ceci sous une pression d'environ 100 mm d'eau (980 Pa). Il est ainsi possible de contrôler de façon rigoureuse l'isothermicité du lit de matière lignocellulosique principalement au cours de la phase exothermique qui débute vers 20OOC alors que le domaine de torréfaction se situe entre 220"C et 260"C. Il n'est pas nécessaire de recourir à l'introduction de gaz neutre, tels que l'azote pour empêcher le déclenchement d'une réaction exothermique de pyrolyse. L'appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'une première enceinte isolée munie de moyens de fermeture hermétique, équipée d'un système de génération d'air chaud et de réchauffage des gaz de torréfaction ainsi que de moyens assurant la circulation de ces gaz à vitesse élevée, une seconde enceinte mobile, de dimensions inférieures, équipée d'au moins une grille étant prévue pour recevoir le matériau à traiter et pour être introduite dans la première enceinte de telle sorte que soient ménagés, entre les parois desdites enceintes, des couloirs de libre circulation des gaz, des moyens étant, par ailleurs, prévus pour maintenir l'ensemble de l'appareillage sous une pression d'environ 100 mm d'eau (980 Pa). La présente invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront bien de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé dans lequel Figure I est une vue en coupe très schématique d'un premier mode de réalisation d'un four vertical destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention Figure 2 est une vue en coupe très schématique d'un autre mode de réalisation d'un four horizontal selon l'invention. Sur les figures, le four est représenté de façon générale par 2, 3 désigne le lit de matière ligno-cellulosique, 4 le système générateur d'air chaud et 5 les moyens de recyclage à grande vitesse de l'air chaud et des gaz. Le four 2 représenté à la figure 1 est essentiellement composé d'une première enceinte fixe isolée 6 équipée à sa base et en son centre d'un système de ventilation 5 prévu pour assurer la circulation à vitesse élevée des gaz chauds à l'intérieur du lit 3 de matière ligno-cellulosique un système de génération d'air chaud et de réchauffement des gaz de torréfaction 4 est également prévu à la base de l'enceinte 6. Une seconde enceinte 7, de dimensions légèrement inférieures à celles de l'enceinte 6, est disposée à l'intérieur de cette dernière de telle sorte que les gaz chauds puissent circuler librement entre les parois de ces deux enceintes 6 et 7. L'enceinte 7 est elle-même divisée en deux parties : I'une, mobile, dont la base est équipée d'une grille perforée 8 destinée à recevoir le matériau ligno-cellulosique à traiter, l'autre, fixe, 9 venant s'ajuster à la partie supérieure du système de ventilation 5, de telle sorte que soit créée une boucle de circulation des gaz. L'ensemble des enceintes est réalisé en tout matériau convenable ; c'est ainsi que les parties fixes peuvent être réalisées en briques et les parties mobiles en tôle ou que l'ensemble des enceintes peut être réalisé en tôle. Des entretoises 30, disposées radialement et longitudinalement, assurent l'écartement annulaire des enceintes 6 et 7. La partie supérieure de l'enceinte extérieure 6 est équipée d'un couvercle étanche 1, susceptible de se rabattre complètement pour permettre l'introduction puis l'extraction de la partie mobile de l'enceinte extérieure 7 contenant la matière à torréfier. Selon l'invention et notamment dans le but d'éviter toute entrée d'air intempestive à l'intérieur du four, une pression d'environ 100 mm d'eau (980 Pa) est maintenue à l'intérieur du système par l'intermédiaire d'une cuve à niveau constant 10 ou de tout autre dispositif connu remplissant la même fonction. D'autre part, et toujours selon l'invention, il est prévu, au centre et à la base de l'enceinte 6, un système de ventilation 5 assurant le recyclage à grande vitesse de la totalité des gaz de torréfaction. Ce système de ventilation 5 peut être un ventilateur hélicoïdal. Dans le cas où la matière lignocellulosique introduite est de faible granulométrie ou de dimensions spécialement hétérogènes, il peut être préférable d'utiliser un ventilateur centrifuge. Dans tous les cas, les caractéristiques du système de ventilation utilisé doivent être telles qu'il assure un débit d'au moins un mètre cube par seconde et par mètre cube du matériau à traiter et qu'il établisse une pression dynamique telle que la pression en sortie du lit soit au moins égale à 50 mm d'eau (490 Pa) à 20"C, ce dernier critère étant évidemment fonction de la porosité du matériau à torréfier. L'apport énergétique nécessaire à la torréfaction est effectué par tout moyen connu en soi. C'est ainsi que l'on peut utiliser un ou plusieurs générateurs de gaz chauds 4 insuflant soit à l'aspiration soit au refoulement du ventilateur 5 un gaz à une température nettement supérieure à celle sortant de la partie supérieure de la charge de matériau 3. En effet, les caractéristiques du ventilateur 5 sont établies de telle sorte qu'il est à la fois susceptible de balayer à grande vitesse le lit de matériau lignocellulosique à traiter et de diluer suffisamment le flux énergétique apporté par le générateur de gaz chauds pour que l'on puisse contrôler rigoureusement l'isothermicité du lit de matériau, principalement au cours de la phase exothermique qui débute vers 200"C, alors que le domaine de torréfaction se situe entre 220 et 260"C. Le générateur 4 peut être alimenté en gaz d'origine fossile ou encore par un gazogène fonctionnant soit au bois soit au produit torréfié, en l'état ou aggloméré. Il peut également s'agir d'une batterie de résistances électriques, ce qui permet une régulation très fine de la température de torréfaction. Dans le cas d'un four de grandes dimensions, il peut être indiqué, pour des raisons techniques et économiques, d'utiliser deux générateurs ; le premier générateur, de forte puissance, assurera la montée en température jusqu'à 160-180"C tandis qu'un second générateur (non représenté), de puissance nettement inférieure, sera utilisé pour le pilotage précis de la température dans le domaine de la torréfaction. Dans tous les cas, le ou les générateurs, soit du type modulant, soit du type tout ou rien, sont équipés d'un dispositif de consigne 11 de montée en température dont la précision est de plus ou moins 5"C. Un ventilateur de contre-pression 12 est prévu pour compenser la pression interne du système. Afin d'éviter toute injection d'air, une électrovanne 13 asservie à la commande du brûleur du générateur de gaz chaud 4 isole la sortie d'air hors marche de ce dernier. Les informations nécessaires au pilotage de l'installation sont captées par des sondes ou thermocouples ; deux thermocouples 15 et 16 sont placés à la partie inférieure du lit de matériau 3,l'un d'entre eux 16 commandant le générateur 4. Deux autres thermocouples 17 sont placés à la partie supérieure du lit de matériau 3. En cas de dépassement de la température de consigne enregistrée par la sonde supérieure 17, ce qui indique une activité anormale dans le lit provoquée par une entrée d'air accidentelle, de l'eau vaporisée par un diffuseur 18 commandé par une électrovanne 19 est injectée par petites doses répétitives jusqu'à disparition du phénomène. Pour prévenir tout risque d'explosion par l'accumulation accidentelle de gaz inflammables à l'intérieur du réacteur, une trappe 20 rendue étanche par un produit capable de se briser facilement en cas d'explosion est installée sur le couvercle 1. L'excès de gaz qui s'échappent par le conduit 21 vers le régulateur de pression peut être utilement envoyé dans un laveur ou un condenseur ou tout autre dispositif 10 apte à détruire l'acide acétique et la fraction méthanol, principaux constituants polluants libérés au cours de la phase de torréfaction, dans le but de répondre à la législation en matière d'environnement. Il est bien évident que l'étanchéité de l'ensemble du dispositif doit être parfaite. C'est ainsi que par exemple le plan de jonction entre le couvercle 1 et la première enceinte 6 est équipé d'un joint 22. II en est de même pour l'axe 23 du ventilateur 5 dont le passage doit impérativement être rendu étanche ; dans le mode de réalisation représenté à la figure I, cette étanchéité est assurée par un roulement enchassé dans une plaque 24 fixée au fond du four. D'autre part, le plan de jonction 25 entre la partie fixe 9 et la partie mobile équipée de la grille perforée 8 de l'enceinte interne 7 est usiné de telle sorte qu'il interdise toute fuite des gaz que l'on force à traverser la charge 3. A la base des deux enceintes 6 et 7, il est ménagé deux gouttières 26 servant à évacuer les jus de condensation par les conduits 27. Enfin, les dimensions de l'espace ménagé entre la grille perforée 8 et le ventilateur 5 sont prévues de façon à permettre une dilution homogène du flux énergétique fourni par le générateur 4. Le mode de réalisation représenté très schématiquement à la figure 2 est spécialement adapté au traitement de matériaux de grande longueur (planches de bois, dosses de scierie, etc...). Dans ce type de four, un chariot 28 coulisse à l'intérieur de l'enceinte 6. Les parois latérales de ce chariot 28 sont réalisées en tôle pleine mais les deux extrémités 29 et 30 sont formées de grilles perforées, assurant ainsi la distribution des gaz au travers de la charge à traiter. Un dispositif de rails mobiles 31 permet l'ouverture de la porte 32 et l'extraction du chariot 28 pour effectuer les opérations de chargement et de déchargement. Les autres caractéristiques du four sont similaires à celles décrites en référence à la figure 1. Dans les deux modes de réalisation du four selon l'invention, le mode de fonctionnement et la puissance thermique à installer sont déterminés par l'examen global des besoins, divisés en deux phases bien distinctes. Dans un premier temps, la quantité de chaleur doit être suffisante pour élever le corps du réacteur et la charge de matériau à traiter de la température ambiante à la température de torréfaction plus l'énergie nécessaire à la vaporisation de l'eau libre contenue dans le matériau. A la température de thermocondensation, la réaction étant sensiblement exothermique, la quantité d'énergie nécessaire devra être juste suffisante pour compenser les pertes thermiques du système. Les exemples qui suivent illustrent l'invention sans nullement la limiter. EXEMPLE 1: On introduit dans le four, représenté à la figure I, 600 kilos de bois de hêtre fragmentés en morceaux de 120x30x5G mm de dimensions moyennes et dont le taux d'humidité est de 30 % sur matière brute. Le processus de torréfaction est divisé en deux phases distinctes première phase : dessication. Dès le début, la température de consigne est établie à 1400C. On observe, dans un premier temps, une différence de l'ordre de 20"C entre la partie inférieure et supérieure du lit, différence qui va s'amenuisant pour ne représenter que 2 à 6"C d'écart. La consigne est alors portée à 1600C et conservée jusqu'au nouveau moment d'équilibre. A ce moment de l'opération qui a duré lh15 le bois est à l'état anhydre. seconde phase : torréfaction par palier de 5"C. La température est portée à 200"C en dix minutes, puis toujours par paliers de 5"C jusqu'à 240"C en vingt minutes. Cette température est maintenue vingt minutes au terme desquelles le chauffage et la ventilation sont arrêtés. On obtient 331,8 kg de bois torréfié à 28 % de carbone fixe propre à un usage domestique pour la cuisson de produits alimentaires. EXEMPLE 2 Le produit obtenu dans l'exemple I est broyé puis comprimé sans liant dans une presse à filière à une pression de 200 kg/cm2. On obtient des granulés de 8 mm de diamètre et de 10 à 12 mm de longueur. Le produit s'enflamme aussi aisément que le bois torréfié ayant servi à sa préparation, reprend très peu d'humidité, est peu friable et ne se délite pas en cours de combustion. II est bien évident que le procédé selon l'invention ne s'applique pas exclusivement au bois mais à tous les produits de la filière ligno-cellulosique tels que les raffles de mals, les perches de café, les coques de noix de palmiste, la paille de riz, etc... - REVENDICATIONS 1- Produit ligno-cellulosique torréfié, caractérisé en ce qu'il présente, de façon homogène, un taux de carbone fixe compris entre 27 et 30 % et en ce qu'il est susceptible d'être aggloméré sans l'addition d'aucun liant. 2- Procédé d'obtention du produit ligno-cellulosique torréfié selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer le traitement de torréfaction dans des conditions strictement contrôlées par la seule action des gaz de torréfaction circulant à travers un lit fixe de matière ligno-cellulosique à une vitesse d'environ I m3 par seconde et par m3 de matière et ceci sous une pression d'environ 100 mm d'eau (980 Pa). 3- Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué d'une première enceinte isolée (6) munie de moyens de fermeture hermétique (1,39), équipée d'un système de génération d'air chaud et de réchauffage des gaz de torréfaction (4) ainsi que de moyens (5) assurant la circulation de ces gaz à vitesse élevée, une seconde enceinte mobile (7,28), de dimensions inférieures, équipée d'au moins une grille (8,29,30) étant prévue pour recevoir le matériau à traiter et pour être introduite dans la première enceinte de telle sorte que soient ménagés, entre les parois desdites enceintes, des couloirs de libre circulation des gaz, des moyens étant, par ailleurs, prévus pour maintenir l'ensemble de l'appareillage sous une pression d'environ 100 mm d'eau (980 Pa). 4- Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens assurant la circulation du gaz à vitesse élevée sont choisis de telle sorte qu'ils assurent un débit d'au moins un mètre cube par seconde et par mètre cube du matériau à traiter et qu'ils établissent une pression dynamique telle que la pression en sortie du lit soit au moins égale à 50 mm d'eau (490 Pa) à 200C, ce dernier critère étant fonction de la porosité du tnatériau à torréfier. 5- Appareillage selon la revendication 3 et la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens assurant la circulation des gaz à vitesse élevée sont choisis parmi les ventilateurs hélicoïdaux et centrifuges. 6- Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système de génération d'air chaud est alimenté en gaz d'origine fossile ou par un gazogène. 7- Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ,système de génération d'air chaud est constitué d'une batterie de résis tan-ces électriques. 8- Appareillage selon l'une des revendications 3, 6 et 7, caractérisé en ce que le système de génération d'air chaud est constitué de deux générateurs, le premier, de forte puissance, assurant la montée en température jusqu'à 160-1800C, le second, de puissance nettement inférieure, étant utilisé pour le pilotage précis de la température dans le domaine de la torréfaction. 9- Appareillage selon l'une des revendications 3, 6 à 8, caractérisé en ce que le ou les générateurs sont équipés d'un dispositif de consigne (Il) de montée en température dont la précision est de plus ou moins 5 C associé à un système de sondes disposées à la partie inférieure et à la partie supérieure du lit de matériau (3). 10- Appareillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour assurer la parfaite étanchéité de l'appareillage. 11- Appareillage selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que l'appareillage est prévu pour le traitement de matériaux de grande longueur et en ce que la seconde enceinte est constituée d'un chariot (28) coulissant à l'intérieur de l'enceinte (6).