Brevet FR2656326A1 — publié le 19910628

Procédés, dispositifs et fours tournants pour fabriquer en continu du charbon de bois riche en carbone DESCRIPTION La présente invention a pour objet des procédés, des dispositifs et des fours tournants pour fabriquer en continu du charbon de bois ayant une teneur élevée en carbone et une faible teneur en matières volatiles. Le secteur technique de l'invention est celui de la fabrication du charbon de bois. On connaît des dispositifs pour fabriquer en continu du charbon de bois dans un four tournant dans lequel on maintient une température de l'ordre de 6500 C à 7000 C dans la zone de carbonisation On obtient à la sortie du four un charbon de bois courant ayant une teneur maximum en carbone de l'ordre de 85 % et une teneur en matières volatiles de l'ordre de 10 % du poids total. Certaines industries chimiques ou métallurgiques exigent du charbon ayant une teneur en carbone plus élevée, par exemple une teneur en carbone supérieure à 95 % du poids total de carbone et de matières volatiles. Si on fabrique un tel charbon riche en carbone à partir de houille, le produit obtenu contient des impuretés minérales (soufre, phosphore, traces métalliques etc) qui le rendent impropre à certains usages Par contre, un charbon de bois ne contient pas de telles impuretés et convient bien pour les besoins de certaines industries, notamment pour la fabrication de charbon actif destiné aux industries chimiques ou pharmaceutiques. On a déjà fabriqué du charbon de bois riche en carbone par des procédés discontinus. L'objectif de la présente invention est de procurer des moyens pour fabriquer en continu dans un four tournant du charbon de bois ayant une teneur en carbone supérieure à 95 % du poids cumulé de carbone et de matières volatiles, en réglant les paramètres de fonctionnement du four et certains détails de construction du four tournant pour arriver à ce résultat. Le terme charbon de bois est utilisé dans un sens général pour désigner tout charbon d'origine végétale obtenu par carbonisation de bois ou de tout autre matériau végétal. L'objectif de l'invention est atteint par un procédé de carbonisation de bois ou de matériaux végétaux dans un four tournant selon lequel la température dans la zone de carbonisation est comprise entre 900 'C et 1000 'C et le temps de séjour dans le four est compris entre 45 minutes et 60 minutes. De préférence, on introduit dans le four des fragments de bois ou de matériaux végétaux ayant une granulométrie inférieure à 5 mm et une teneur en eau inférieure à 10 % du poids total. Avantageusement on réinjecte à la sortie du four une partie des gaz combustibles dûs à la pyrolyse, qui sont recueillis à l'entrée du four de sorte que le recyclage de ces gaz égalise la température de l'atmosphère gazeuse dans le four. L'invention a pour objet des dispositifs du type comportant un four tournant dans lequel on carbonise des matériaux végétaux dans une atmosphère réductrice et on recueille du charbon de bois et des gaz combustibles dûs à la pyrolyse des matériaux végétaux. Un dispositif selon l'invention comporte, en outre, un générateur de gaz chaud qui est équipé d'un brûleur qui est alimenté par une partie des gaz de pyrolyse sortant du four et un séchoir qui est chauffé par les gaz chauds produits par ledit générateur et qui permet de sécher du bois vert et des matériaux végétaux humides avant de les envoyer dans le four tournant pour les carboniser. Un four tournant selon l'invention est équipé d'un brûleur axial qui est un brûleur mixte qui brûle à la fois une partie des gaz de pyrolyse sortant dudit four et un deuxième combustible qui arrive par un deuxième conduit, lequel deuxième conduit comporte un registre motorisé qui est entraîné par un moteur (M) entraînant en même temps un deuxième registre disposé sur le conduit d'alimentation du brûleur en air de combustion, lequel moteur est commandé automatiquement par une chaîne de régulation de température (TT, TC) afin de maintenir dans le four une température comprise entre 900 'C et 1000 'C et une atmosphère réductrice. La présente invention a pour résultat la fabrication en continu de charbon de bois ayant une teneur en carbone supérieure à 95 % du poids cumulé de carbone et de matières volatiles. Ce résultat est atteint grâce à une choix particulier des paramètres de fonctionnement, notamment d'une température dans la zone de carbonisation comprise entre 900 'C et 1000 'C, d'un temps de séjour dans le four compris entre 45 minutes et 60 minutes et d'une granulométrie des matériaux végétaux inférieure à 5 mm. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent, sans aucun caractère limitatif, un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La figure 1 est une vue en élévation schématique d'un four tournant équipant un dispositif selon l'invention. La figure 2 est un schéma d'un procédé selon l'invention. La figure 1 représente un four tournant cylindrique 1 qui est posé sur des galets fous 2, sur lesquels il tourne et qui est entraîné en rotation par un groupe moto-réducteur 3 par l'intermédiaire d'une chaîne qui engrène avec une courroie dentée 4 périphérique. L' axe xxj du four est incliné en descendant vers la sortie du four, c'est-à-dire vers l'extrémité avant o sort le charbon de bois. L'extrémité arrière du four pénètre dans une chambre fixe et étanche 5 Un joint d'étanchéité 5 a est intercalé entre la paroi externe du four et la chambre 5. Le repère 6 représente une trémie d'alimentation du four qui contient des fragments de bois ou de tout autre matériau végétal pouvant être carbonisé par exemple des coques de noix de coco ou de palmier, des déchets de bois, etc La granulométrie des fragments est relativement faible, inférieure à 5 mm dans tous les sens pour pouvoir obtenir une bonne distillation des matières volatiles. Le fond de la trémie 6 est relié à une goulotte 7 qui traverse la chambre 5 et qui pénètre dans l'extrémité arrière du four qui est ouverte Un sas étanche 8 est intercalé entre la trémie et la goulotte pour limiter l'entrée d'air. La chambre 5 comporte une première sortie 9 par laquelle sort une partie des gaz combustibles dûs à la pyrolyse du bois Ces gaz sont envoyés vers un utilisateur, par exemple vers un brûleur qui sert à produire des gaz chauds qui alimentent une chaudière et/ou un séchoir dans lequel on sèche la matière première avant de la déverser dans la trémie 6. Le bilan thermique de l'opération permet de sécher du bois vert ayant une teneur en eau élevée. La chambre 5 comporte une deuxième sortie 10 par laquelle sort une deuxième partie des gaz combustibles issus de la pyrolyse du bois. La sortie 10 est reliée par un conduit descendant 11 à une station 12 de dépoussiérage des gaz de laquelle part un deuxième conduit 13. L'extrémité avant du four tournant pénètre dans une chambre avant fixe et étanche 14. Un joint étanche 14 a est intercalé entre le four tournant et la paroi de la chambre 14. La chambre 14 comporte un revêtement réfractaire. L'extrémité avant du four est ouverte et la chambre 14 est équipé d'un brûleur 15 qui traverse la chambre et qui pénètre axialement dans le four Le repère 16 représente le ventilateur qui alimente le brûleur en air de combustion. Le brûleur 15 est un brûleur mixte qui peut brûler un combustible liquide et des gaz de pyrolyse qui arrivent par le conduit 13 La combustion d'un combustible liquide sert à démarrer la réaction de pyrolyse Après quoi la quantité de gaz résultant de la pyrolyse est excédentaire pour entretenir la réaction et le brûleur fonctionne avec des gaz arrivant par le conduit 13 tandis qu'une autre partie des gaz combustibles sortant par le conduit 9 permet de faire fonctionner des installations auxiliaires telles qu'une chaudière ou un séchoir à bois. Avantageusement une partie des gaz arrivant par le conduit 13 est envoyée directement dans l'extrémité avant du four et se trouve recyclée dans le four car l'atmosphère dans le four est réductrice et ces gaz ne peuvent brûler Ce recyclage a pour effet d'égaliser la température des gaz le long du four en diminuant la température autour de la flamme et en augmentant la température à la sortie du four de sorte que celle-ci est maintenue supérieure à la température de condensation des goudrons. Les repères 17 et 18 représentent les équipements du brûleur c'est-à-dire l'ensemble des vannes, des appareils de contrôle et les pompes de combustible liquide Le repère 19 représente l'armoire dans laquelle se trouvent les circuits et composants électriques du brûleur et du four. L'extrémité inférieure de la chambre 14 comporte une trémie 20 dans laquelle tombe en continu le charbon de bois sortant du four. Cette trémie est équipée d'un sas étanche 21 à travers lequel le charbon tombe par gravité. A la sortie du sas se trouve une chambre de refroidissement 22 équipée de pulvérisateurs d'eau 22 a qui projettent de l'eau finement pulvérisée sur le charbon chaud La chaleur latente de vaporisation de l'eau sert à refroidir rapidement le charbon pour éviter la combustion de celui-ci au contact de l'air Le charbon sort du four à une température de l'ordre de 1000 'C et il sort de la chambre 22 à une température de l'ordre de 200 'C. Le repère 23 représente un extracteur à vis sans fin qui comporte deux parois concentriques entre lesquelles une pompe 24 fait circuler de l'eau froide Le charbon qui entre dans l'extracteur à une température de l'ordre de 200 'C en sort à une température de l'ordre de 701 C à 800 C o aucune combustion au contact de l'air ne se produit. La figure 2 est un schéma général d'une installation complète de fabrication de charbon de bois riche en carbone à partir de bois vert ou de matières premières végétales nécessitant un séchage préalable. On retrouve sur ce schéma un four de carbonisation tournant 1 identique à celui de la figure 1 qui est disposé entre une chambre arrière 5 et une chambre avant 14 ainsi que la trémie 6 qui déverse des fragments de bois ou d'un autre matériau végétal dans l'extrémité arrière du four On retrouve également un brûleur 15 qui est alimenté en air de combustion par un ventilateur 16. La quantité d'air débitée par le ventilateur est nettement inférieure au rapport stoechiométrique de sorte que l'atmosphère dans le four est réductrice. Le brûleur 15 est un brûleur à gaz qui peut brûler du gaz naturel qui arrive à travers un ensemble de vannes 24 et qui peut également brûler des gaz de pyrolyse qui sont aspirés par un ventilateur 25. La température dans le four est régulée par un dispositif de régulation qui comporte une sonde de prise de température TT, un régulateur TC et un servomoteur M qui commande simultanément un registre 26 placé sur l'arrivée d'air de combustion et un registre 27 placé sur l'arrivée de gaz naturel au brûleur. La quantité de gaz de pyrolyse alimentant le brûleur reste constante La température dans le four est réglée entre 900 'C et 1000 'C pour obtenir une distillation presque complète des matières volatiles du bois et donc un charbon très pauvre en matières volatiles et riche en carbone. Les gaz combustibles sortant de la chambre arrière 5 se divisent en deux circuits. Un premier circuit 11 comporte deux ventilateurs 30 montés en parallèle A la sortie du ventilateur 30 une partie des gaz est envoyée dans la chambre 14 par une canalisation 31 Cette partie des gaz est recyclée dans le four et sert à égaliser la température des gaz le long du four Une autre partie des gaz refoulés par le ventilateur 30 est reprise par le ventilateur 25 qui l'envoie au brûleur 15. Un deuxième circuit 9 comporte deux ventilateurs 28 montés en parallèle et entraînés par l'intermédiaire d'un variateur de vitesse 29. La pression à l'intérieur du four est régulée par un dispositif qui comporte un capteur PT de la pression dans le four et un régulateur de pression PC qui émet un signal qui commande le variateur de vitesse 29 On maintient dans le four une légère surpression par rapport à l'atmosphère, par exemple une surpression de 0,5 mm d'eau de sorte que de l'air extérieur ne risque pas de pénétrer dans le four. L'air refoulé par le ventilateur 28 qui est en service, alimente un brûleur 32 qui équipe un générateur de gaz chaud 33 Le brûleur 32 est par exemple un brûleur mixte qui est également alimenté en gaz combustible naturel à travers un ensemble de vannes 33 et un registre motorisé 34 Le brûleur est alimenté en air de combustion par deux ventilateurs 35 montés en parallèle, équipés chacun d'un registre motorisé 36. La température de l'air chaud produit par le générateur est régulée par une sonde de température TT 1 et par un régulateur de température TC 1 qui commande un moteur Ml qui entraîne simultanément les registres 34 et 36. L'air sortant du générateur 33 à une température de l'ordre de 9500 C alimente une chaudière 37 qui fournit de la vapeur, laquelle peut servir par exemple à agglomérer le charbon de bois sortant du four. L'air sortant de la chaudière à une température de l'ordre de 3900 C est mélangé à de l'air froid dans une boîte de dilution 38 de laquelle il sort à environ 3000 C et il alimente un séchoir 39 dans lequel on sèche du bois vert ou des produits ligneux humides avant de les envoyer dans la trémie 6. Le repère 40 représente un filtre à poussières et le repère 41 une cheminée de rejet des fumées Le repère 42 représente une boîte de dilution qui est placée avant une cheminée de rejet de l'air chaud en cas de besoin. On retrouve sur la figure 2 la trémie 20 équipée d'un sas étanche 21, la chambre de refroidissement 22 équipée de pulvérisateurs d'eau et l'extracteur à vis sans fin 23. On obtient à la sortie de l'extracteur des particules de charbon de bois ayant un rapport entre le poids de carbone et le poids total de carbone plus les matières volatiles supérieur à 95 % Les paramètres de fonctionnement permettant d'atteindre ce résultat sont les suivants: granulométrie des fragments introduits dans le four inférieure à 5 mm, température dans la zone de carbonisation compris entre 900 'C et 10000 C, temps de séjour total dans le four compris entre 45 minutes et 60 minutes pour un taux d'humidité des produits entrant dans le four inférieur à 10 % du poids total. Le pourcentage de cendre compris dans les produits obtenus dépend uniquement de la nature des produits introduits dans le four et bien entendu, on a intérêt à utiliser des produits de départ contenant le moins de cendres possible pour obtenir une teneur en carbone le plus élevée possible. Il est essentiel pour le bon fonctionnement du four de réaliser des joints d'étanchéité entre la périphérie externe du four et la paroi de chacune des chambres fixes 5 et 14. Selon un mode de réalisation préférentiel, chacun de ces deux joints d'étanchéité est composé de blocs de graphite mou juxtaposés pour former un anneau Les blocs sont maintenus dans un support fixé à la paroi de la chambre et ils flottent contre une conronne usinée avec précision à la périphérie du four, le contact étant étanche. Les joints en graphite mou résistent à la température,ont un très bon coefficient de frottement, résistent bien à l'abrasion par les poussières de charbon qui s'incrustent dans le graphite et ne risquent pas d'introduire des traces d'impuretés dans le four puisqu'ils sont composés de carbone. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication en continu de charbon de bois contenant un poids de carbone supérieur à 95 % du poids cumulé de carbone et de matières volatiles par carbonisation de matériaux végétaux dans un four tournant caractérisé en ce que la température dans la zone de carbonisation du four est comprise entre 900 'C et 10000 C et le temps de séjour dans le four est compris entre 45 minutes et 60 minutes. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que on introduit dans ledit four tournant des matériaux végétaux ayant une granulométrie inférieure à 5 mm. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'on introduit dans ledit four tournant des matériaux végétaux ayant une teneur en eau inférieure à 10 % du poids total. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'on réinjecte à la sortie du four tournant une partie des gaz combustibles recueillis à l'entrée dudit four tournant de sorte que les gaz recyclés égalisent la température de l'atmosphère gazeuse dans le four. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'on chauffe ledit four tournant au moyen d'un brûleur mixte qui brûle une partie des gaz dûs à la pyrolyse desdits matériaux végétaux et un deuxième combustible et on maintient la température dans le four sensiblement constante en agissant simultanément sur le débit du deuxième combustible et sur le débit d'air de combustion afin de maintenir dans le four une atmosphère réductrice. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'une partie des gaz de pyrolyse sont extraits par un ventilateur entraîné par un variateur de vitesse et on règle automatiquement la vitesse dudit ventilateur pour maintenir dans le four une légère surpression par rapport à l'atmosphère afin d'éviter des entrées d'air dans le four. 7 Dispositif pour fabriquer du charbon de bois contenant un poids de carbone supérieur à 95 % du poids cumulé de carbone et de matières volatiles du type comportant un four tournant ( 1) dans lequel on carbonise des matériaux végétaux dans une atmosphère réductrice et on recueille du charbon de bois et des gaz combustibles dûs à la pyrolyse des matériaux végétaux caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une générateur de gaz chaud ( 33) équipé d'un brûleur ( 32) qui est alimenté par une partie du gaz de pyrolyse et un séchoir ( 39) qui est chauffé par lesdits gaz chauds et qui permet de sécher du bois vert ou des matériaux végétaux humides avant de les envoyer dans ledit four tournant. 8 Four tournant ( 1) équipant un dispositif pour fabriquer du charbon de bois contenant un poids de carbone supérieur à 95 % du poids total de carbone et de matières volatiles, lequel four est équipé d'un brûleur axial ( 15) caractérisé en ce que ledit brûleur est un brûleur mixte qui brûle à la fois une partie des gaz de pyrolyse sortant dudit four et un deuxième combustible qui arrive par un deuxième conduit, lequel deuxième conduit comporte un registre motorisé ( 27) qui est entraîné par un moteur (M) entraînant en même temps un deuxième registre ( 26) disposé sur le conduit d'alimentation du brûleur en air de combustion, lequel moteur est commandé automatiquement par une chaîne de régulation de température (TT, TC) afin de maintenir dans le four une température comprise entre 900 'C et 10000 C et une atmosphère réductrice. 9 Four selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'extrémité avant dudit four débouche dans une chambre fixe ( 14) comportant à sa base une trémie ( 20) qui reçoit le charbon de bois sortant dudit four, laquelle trémie communique par l'intermédiaire d'un sas étanche ( 21) avec une chambre de refroidissement ( 22) équipée de pulvérisateurs d'eau de sorte que le charbon de bois est refroidi brusquement d'une température d'environ 1000 'C à une température de l'ordre de 200 'C. 10 Four selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un extracteur à vis sans fin ( 23) qui est disposé au dessous de ladite chambre de refroidissement, lequel extracteur comporte deux parois concentriques et des moyens pour faire circuler de l'eau froide dans l'espace intermédiaire entre les deux parois de sorte que le charbon qui est transporté par ledit extracteur rentre dans celui-ci à une température de l'ordre de 200 'C et en sort à une température de l'ordre de 70 'C à 80 C. il 11 Four tournant selon l'une quelconque des revendications 8 à dont les deux extrémités débouchent dans deux chambres fixes ( 5, 14) et comportent chacune un joint d'étanchéité intercalé entre la périphérie externe du four et la paroi d'une desdites chambres caractérisé en ce que chacun desdits joints est composé d'un anneau de blocs de graphite mou juxtaposés qui sont fixés à la paroi de la chambre et qui frottent contre une surface usinée de la périphérie dudit four.