Brevet FR2775292A1 — publié le 19990827

La présente invention se rapporte à un procédé de traitement thermique de tout matériau ou matière, simple ou composite, comportant des fibres ligno-cellulosiques et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce procédé a pour but de générer une décomposition thermo-chimique des composants essentiels, en particulier du bois en un résidu solide à fort taux de carbone, c'est-àdire de réaliser une carbonisation. L'art antérieur connaît déjà de tels procédés, décrits par exemple dans la demande de brevet français n" 2 512 053. Ce document porte sur un procédé de torréfaction ayant pour but de produire une matière à fort pouvoir calorifique. II présente l'inconvénient d'être très complexe à mettre en oeuvre car le traitement thermique se fait sous atmosphère inerte, d'azote par exemple. Le procédé selon l'invention entend remédier à cet inconvénient en proposant non pas de réaliser une carbonisation complète des matériaux ligneux, mais une carbonisation partielle, de type pyrogénation sous atmosphère non renouvelée, en restant à la limite de la pyrolyse exothermique de la matière, sans jamais la dépasser. Le non renouvellement de l'atmosphère de pyrogénation est obtenu selon le mode préféré de réalisation de l'invention en plaçant les matériaux ligneux dans des conteneurs véhiculés (ou en continu suivant le procédé) dans le four de pyrogénation. Un autre avantage important du procédé est la possibilité offerte de valoriser et de recycler des quantités importantes de matériaux ligno-cellulosiques secs ou humides jusqu'à présent mis en décharge ou incinérés en raison de leur faible pouvoir calorifique ou de leur possible contamination par un agent toxique. Le dispositif selon l'invention présente en outre l'avantage de pouvoir fonctionner en continu. La matière pyrogénisée obtenue par le procédé selon l'invention connaît de multiples applications ; inerte chimiquement et physiquement, mais présentant de nombreuses qualités physiques (isolation thermique, phonique, etc...), elle peut être utilisée comme charge ou comme adjuvant dans des matériaux composites tels que des compositions à base de ciment par exemple. D'autres avantages ressortiront de la description faite ci-après de l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles - les figures la à Id représentent le dispositif réalisant le procédé selon l'invention respectivement vu en perspective, de face, de côté, et de dessus - la figure 2 représente un mode préféré de réalisation du dispositif selon l'invention vu en coupe longitudinale selon lequel la matière à pyrogéniser est placée dans des fûts entraînés en rotation par le four; - la figure 3 représente une coupe transversale d'un mode préféré de réalisation du foyer du dispositif selon l'invention; - la figure 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention vu en coupe longitudinale, selon lequel la matière à pyrogéniser est placée dans des fûts entraînés en rotation par une vis sans fin traversant le four; - la figure 5 représente un autre mode de réalisation des conteneurs selon lequel les conteneurs sont introduits par grappe dans le four; - la figure 6 représente un autre mode de réalisation du dispositif de transit continu de la matière à pyrogéniser à travers le four; - la figure 7 représente un autre mode de réalisation du dispositif de pyrogénation muni en outre d'un sécheur, et - la figure 8 représente un autre mode de réalisation du dispositif de chauffage de la matière selon lequel des tubes de répartition de la chaleur sont placés au sein de la matière. Le procédé selon l'invention est un procédé de traitement thermique de matériaux constitués de fibres ligno-cellulosiques, comportant une étape de carbonisation desdits matériaux. II est caractérisé en ce que ladite étape de carbonisation est opérée partiellement sous atmosphère non renouvelée. Cette opération constitue une pyrogénation. Le but de cette pyrogénation est d'obtenir de la matière inerte chimiquement et physiquement. Selon une caractéristique de l'invention, cette pyrogénation est opérée de façon continue. Préférentiellement, L'étape de pyrogénation est précédée d'une étape de préchauffage de la matière, et est complétée par une étape de refroidissement de la matière, effectuées toutes les deux sous atmosphère non renouvelée, pour ne pas que la matière entre totalement en combustion. Pour plus d'efficacité, il est préférable de brasser la matière à pyroliser pendant toute la durée du traitement thermo-chimique. Le procédé peut en outre comprendre une étape de séchage de la matière avant ou au début de l'introduction dans le four si la matière à pyroliser présente une hygrométrie élevée. Le dispositif réalisant la mise en oeuvre du procédé peut présenter différents modes de réalisation. La description faite ci-après présente d'une manière non limitative un mode préféré et quelques exemples supplémentaires de dispositifs réalisant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le dispositif réalisant le procédé selon l'invention illustré figure 1 est constitué d'une enceinte (1) isolée thermiquement formant un four tunnel alimenté en chaleur par un foyer (3) et d'une cheminée (4) d'évacuation des gaz de combustion du foyer (3). L'enceinte (1) formant le four-tunnel, est constituée d'un caisson (7) de forme allongée et de section carrée ou rectangulaire posé sur un bâti métallique (8). Le caisson (7) comporte une isolation thermique (9) réalisée en matériaux réfractaires légers à faible conductivité thermique fixés sur les parois intérieures du caisson. Ce caisson (7) d'une largeur d'environ dix mètres fermé comporte quatre ouvertures : la première (14) pour permettre l'entrée des gaz chauds issus du foyer (3) ; la deuxième (15) pour l'évacuation des fumées vers la cheminée (4) et les deux autres (16 et 16') à chaque extrémités de l'enceinte (1) pour permettre d'une part l'introduction de la matière à pyrogéniser par l'ouverture (16) et d'autre part la récupération de la matière pyrogénisée par l'ouverture (16'). La température du four (16) et (16') croît progressivement jusqu'à 300 C puis décroît. Selon une version préférée de l'invention illustrée figure 2 un tube cylindrique (2) entraîné en rotation est utilisé comme échangeur de chaleur entre les gaz chauds et la matière à pyrogéniser qui transite en continu dans le four. Sous le caisson (7) et dans le bâti (8) passent des arbres d'entraînement (10) tournant maintenus par des paliers à roulements (11). Les arbres comportent à chaque extrémités des galets (12) soutenant le tube cylindrique (2) et permettant son entraînement en rotation. Un motoréducteur variateur (13) fixé en bout d'un des arbres et son bras de maintien avec des plots élastiques complètent ce dispositif. Le caisson (7) est surmonté d'une cheminée (4) d'évacuation des gaz de combustion du foyer. Selon cette version préférée, la matière à pyrogéniser est introduite avant le début du traitement thermique dans des conteneurs (17) en forme de fûts. Le tube cylindrique métallique tournant (2) est d'un diamètre suffisant pour permettre le passage de ces fûts contenant la matière à pyrogéniser et dépasse des extrémités de l'enceinte (1) pour former une zone de préchauffage à l'entrée et une zone de refroidissement à la sortie. En outre, le tube cylindrique comporte à proximité de chaque extrémités deux roues (18) dont les bandes de roulement sont en contact avec les galets qui soutiennent et entraînent le tube tout en permettant sa dilatation. L'espace (19) entre le tube et les parois du four tunnel sert de conduit aux gaz chauds. Les fûts de préférence au nombre de sept dans le dispositif dont cinq dans le four proprement dit et un dans chaque zone de préchauffage et de refroidissement ont une forme légèrement conique de manière à ce qu'ils avancent d'eux-même lors de la rotation du tube cylindrique (2) et que la matière qu'ils contiennent soit brassée automatiquement et régulièrement. Leur vitesse d'avancement dépend deux facteurs la conicité et la vitesse de rotation du tube cylindrique (2). Les conteneurs (17) contenant la matière à pyrogéniser sont hermétiquement fermés pendant leur transit à travers le tube cylindrique (2), afin d'empêcher la matière chauffée d'entrer en contact avec l'air ambiant et de se consumer. Cependant, les conteneurs (17) comportent une pluralité d'ouvertures calibrées, répartis sur leur circonférence pour permettre l'évacuation de la vapeur d'eau et des composés organiques volatiles émis par la matière à pyrogéniser chaude ainsi que des agents toxiques dont la matière première peut être imprégnée. Les conteneurs (17) se trouvent donc soumis à une légère pression interne qui empêche l'air de rentrer. Lorsqu'ils sortent du pyrogénateur les fûts sont alors refroidis jusqu'à ce que leur température soit inférieure à la température d'inflammation de la matière ligno-cellulosique pour pouvoir les vider sans risque de combustion. Dans une version préférée de l'invention, le dispositif est en outre muni d'un réseau d'aspiration des vapeurs de pyrogénation comportant un capot de captation (20) situé au dessus de l'entrée du tube cylindrique (2) muni d'une porte d'entrée que l'on ouvre uniquement lorsque l'on introduit un nouveau fût (17) dans le tube cylindrique, une canalisation (5)et une pompe (6), par exemple un ventilateur centrifuge qui assure l'aspiration des vapeurs issues de la pyrogénation dans le tube (2) par l'intermédiaire de la canalisation (5) et les souffle à grande vitesse au bas (22) du conduit de cheminée (4) augmentant ainsi par effet déprimogène le tirage naturel de la cheminée. Cette aspiration a une triple fonction : empêcher que les vapeurs et autres composés organiques volatiles ne se répandent dans le local pendant l'introduction d'un nouveau fût (17) dans le tube (2) et assurer le réchauffage du premier fût par la chaleur de ces vapeurs et produire un effet "Venturi" au bas (22) de la cheminée (4). La cheminée (4) peut en outre être munie d'un dispositif de traitement des vapeurs de pyrogénation non représenté ici. Le refroidissement de la zone de refroidissement du tube (2) peut être réalisé par un circuit d'eau, non représenté ici. Dans une version préférée de l'invention, le foyer (3) est un foyer à bois. II communique les gaz chauds au four-tunnel au travers d'une large ouverture (14). Ce foyer comme le montre la figure 3 est constitué d'une enveloppe métallique (23) garnie de matériaux réfractaires isolants et comporte en partie basse une grille inclinée constituée de lamelles métalliques (26) entre lesquelles passe l'air primaire. Cette grille peut être secouée manuellement par l'action d'un levier extérieur au foyer et entraînant un arbre à came (27) sur lequel repose la partie haute de la grille. Les morceaux de bois constituant de préférence le combustible sont introduits dans le foyer (3) par une goulotte (28) centrale inclinée de façon à charger le haut de la grille et équipée d'une auge de chargement basculante (29) faisant office de clapet de fermeture dans ces deux positions extrêmes. Les flammes peuvent se développer en passant de chaque côté de cette goulotte. Ce foyer comporte également des conduits d'introduction d'air secondaire réglables (30) et une porte (31) d'accès à la grille pour l'allumage et le décendrage. L'air primaire est introduit sous la grille au travers d'un régulateur de tirage (32) qui sert aussi de clapet anti-retour. La figure 4 illustre un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel les conteneurs (17) sont entraînés non pas par la rotation du tube (2), mais par une ou plusieurs vis sans fin (33) traversant longitudinalement le four. Chaque conteneur (17) est muni d'une ou plusieurs crémaillères (34) longitudinales ou rondes de manière à tourner sur lui-même au fur et à mesure qu'il avance. On peut imaginer aussi introduire la matière à pyrogéniser dans tout autre conteneur de forme différente ou comportant des cloisons, verticales ou horizontales ou encore par paquet ou en grappe. La figure 5 illustre un exemple de réalisation de grappe (35) de conteneurs. Cette grappe comporte par exemple quatre conteneurs. Elle est en outre munie d'une poutre (36) de manutention permettant d'entrer ou de sortir les grappes du tube (2). La figure 6 illustre un autre mode de réalisation du dispositif de transit en continu de la matière à pyrogéniser à travers le four selon lequel la matière est introduite en vrac dans le tube (2), fixe ou en rotation, sans l'intermédiaire de conteneur. Le transit de la matière et le brassage sont assurés par une vis sans fin (37). Le débit de bois est calculé de telle sorte que la pyrogénisation est réalisée sans carbonisation totale de la matière. Selon une autre version de l'invention illustrée figure 7, on peut adjoindre au dispositif de chauffage, un dispositif de séchage (38) de la matière à pyrogéniser, si cette dernière présente un taux d'humidité trop important. La chaleur de séchage peut provenir du foyer (3). Le principe de fonctionnement du sécheur est sensiblement identique : le bois humide (39) transite à travers un cylindre en rotation (40) grâce à une vis sans fin (41), et s'assèche au fur et à mesure de sa progression. De préférence, I'air, avant d'être évacué par la cheminée (4), transite à travers un échangeur de chaleur (42). Selon une autre version de l'invention illustrée figure 8, on peut modifier le dispositif de transfert thermique de telle sorte que la chaleur soit transmise à la matière véhiculée par la vis (37) par des canalisations chaudes (43) et que le refroidissement soit produit par des canalisations froides (44). Selon cette version, le four est équipé d'un foyer (45) à vis et casing isolé. Selon une autre version de l'invention, non représentée ici, le dispositif de transfert thermique peut être du type chaleur tournante. Ainsi, le mélange gazeux dont la teneur en oxygène est limitée est injecté dans le four (2) fixe pour réaliser la pyrogénisation de la matière. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique de matériaux comportant des fibres ligno-cellulosiques comprenant une étape de carbonisation desdits matériaux, caractérisé en ce que la carbonisation est opérée partiellement sous atmosphère non renouvelée réalisant ainsi une pyrogénation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la carbonisation est opérée en continu. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de refroidissement desdits matériaux sous atmosphère non renouvelée. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de préchauffage desdits matériaux sous atmosphère non renouvelée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits matériaux sont brassés pendant la phase de pyrogénation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de séchage avant l'étape de pyrogénisation. 7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une enceinte (1) formant un four tunnel alimenté en chaleur par un foyer (3) et d'une cheminée (4) d'évacuation des gaz de combustion. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le four est traversé longitudinalement par un tube (2) de forme sensiblement cylindrique. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tube (2) est entraîné en rotation. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le tube (2) présente à ses extrémités une zone de préchauffage et une zone de refroidissement. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le tube (2) contient une pluralité de conteneurs (17) dans lesquels sont disposés lesdits matériaux comportant des fibres ligno-cellulosiques. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits conteneurs (17) sont entraînés en rotation par le tube (2). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 1 ou 12, caractérisé en ce que lesdits conteneurs (17) présentent une pluralité d'ouvertures réparties sur leur circonférence. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 13, caractérisé en ce que lesdits conteneurs (17) sont des fûts fermés de forme conique. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le tube (2) est d'un diamètre suffisant pour permettre le passage desdits fûts et en ce qu'il contient sept fûts, cinq dans le four proprement dit et un dans chaque zone de préchauffage et de refroidissement. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que la cheminée (4) est munie d'un dispositif de traitement des vapeurs de pyrogénation. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau d'aspiration des vapeurs de pyrogénation. 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit réseau d'aspiration des vapeurs de pyrogénation abouti au bas (22) de la cheminée (4) afin d'augmenter l'effet déprimogène de la cheminée (4). 19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que ledit réseau d'aspiration des vapeurs alimente en chaleur la zone de préchauffage du tube (2). 20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 19, caractérisé en ce que la zone de refroidissement du tube (2) est refroidie par un circuit d'eau froide. 21. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 14, caractérisé en ce que lesdits conteneurs (17) sont disposés en grappe (35). 22. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que lesdits matériaux comportant des fibres ligno-cellulosiques transitent dans le tube (2) grâce à une vis sans fin (37). 23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le tube (2) comporte des canalisations chaudes (43) et des canalisations froides (44). 24. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de chaleur tournante.