Brevet FR2944344A1 — publié le 20101015

La présente invention concerne le domaine des fours de traitement thermique de matériaux solides, et plus particulièrement des fours de pyrolyse (ou thermolyse) ou torréfaction destinés à traiter des solides tels que des déchets de toute nature, et par exemple de la biomasse. Il est déjà connu des brevets décrivant des fours tournants de pyrolyse ou de thermolyse, comme par exemple le brevet FR 2 720 487 qui concerne un four tournant appliqué à la pyrolyse des déchets dans lequel les transferts radiatifs sont dominants du fait de plus hautes températures (600 °C). Le four tournant est un tube creux horizontal tournant autour de son axe de révolution et dans lequel s'écoule un solide. Le four est légèrement incliné, l'entrée étant plus haute que la sortie, de sorte qu'à chaque révolution, les solides divisés s'élèvent avec la paroi et chutent un peu en avant de leur point de départ. La vitesse de rotation et la pente du four sont choisies pour favoriser le mélange de la charge et donc un traitement homogène de chaque particule. Dans ce type de dispositif la chaleur est principalement apportée par l'extérieur du tube chauffé par circulation de gaz chauds autour du tube (vapeur, air, fumées de combustibles diluée ou refroidie) ou par rayonnement (électrique ou flamme). La circulation des gaz à l'intérieur du tube est faible pour éviter l'entraînement pneumatique des particules, ce qui limite les possibilités de transfert par convection. Etant donné les températures élevées auxquelles le four est chauffé, les transferts thermiques vers la charge se font principalement par rayonnement et peu par conduction (contact entre la charge et les parois chauffées du four). Dans le cas de la torréfaction de biomasse, les températures requises (entre 220°C et 400°C) font que les transferts thermiques radiatifs sont négligeables. Il est donc nécessaire, afin d'augmenter le transfert thermique, d'augmenter le transfert par conduction. Les transferts par conduction sont proportionnels à la surface de contact, à l'écart de température entre la charge et la paroi et à la conductivité thermique de la charge (typiquement 10-20 W/m2IC° pour le bois). L'écart de température charge-paroi est limité par la nature même de la biomasse ligno-cellulosique. Au delà d'une température de 280-400°C selon les essences, des réactions exothermiques commencent et s'auto-entretiennent par effet d'accélération thermique des cinétiques. Ces réactions conduisent à des solides pyrolysés ayant perdu une grande quantité de leur masse et de leur énergie. La perte de rendement est importante et il est nécessaire de se placer dans des conditions où les réactions exothermiques ne peuvent avoir lieu. Pour ces raisons, la solution généralement retenue pour augmenter les transferts est l'augmentation de la longueur du four tournant pour accroître la surface de contact avec la biomasse. Cette technique est coûteuse en terme d'investissement et de consommation énergétique. Une autre solution consiste à augmenter le temps de séjour dans le four en diminuant l'inclinaison du four et en diminuant le débit pour conserver la même hauteur de lit, ce qui conduit à une diminution de la capacité. Une solution permettant d'améliorer le mélange de la charge au cours du traitement dans le four et décrite par exemple dans le brevet FR 2 467 153, consiste à disposer une vis hélicoïdale à l'intérieur du four. Cette vis est fixée sur un arbre rotatif disposé au centre du four. Cependant, bien qu'elle favorise le mélange de la charge, cette vis ne permet d'améliorer le chauffage de la charge que si elle est elle-même chauffée de l'intérieur, ce qui est techniquement délicat et très onéreux. La présente invention a donc pour objet de palier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un four tournant permettant d'améliorer le traitement thermique de matériaux solides sans investissement coûteux. Pour cela la présente invention propose un four tournant destiné au traitement thermique de matériaux solides comprenant au moins un tube tournant dans lequel sont introduits les matériaux solides et un moyen de chauffage externe au tube tournant permettant de réaliser le traitement thermique, caractérisé en ce que le tube tournant comporte sur sa face interne, en contact avec la charge à traiter, au moins 1 ailette chauffante. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ailette est en forme d'hélice hélicoïdale parcourant toute la longueur du four tournant et orientée selon l'axe radial du four. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'ailette est droite ou ondulée, la sinusoïde définissant les ondulations étant orientée parallèlement à l'axe longitudinal du four. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'ailette est en forme de cornière ou de demi-cylindre. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'ailette comporte à son sommet une ailette longitudinale droite orientée vers l'intérieur du four. Dans un mode de réalisation de l'invention, le four comporte au moins deux ailettes d'au moins deux hauteurs différentes disposées alternativement de façon à ce que les ailettes de même taille ne soient pas côte à côte. Selon un mode de réalisation de l'invention, le four comporte entre 1 et 100 ailettes. Selon un mode de réalisation de l'invention, la hauteur des ailettes est comprise entre 20 et 150% de la hauteur du lit au repos. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, au moins une ailette a une hauteur comprise entre 20% et 150% de la hauteur du lit au repos dans le four, et au moins une ailette a une hauteur inférieur à la hauteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, la valeur de "hauteur du lit au repos/par le diamètre du four tournant" est comprise entre 0,1 et 0,5. Selon un mode de réalisation de l'invention, les ailettes sont formées par une tôle ondulée remplaçant la paroi interne du four, les ondulations étant parallèles à l'axe longitudinal du four. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les ailettes sont formées par une tôle semi-ondulée remplaçant la paroi interne du four. Selon un mode de réalisation de l'invention, la hauteur des ailettes est inférieure ou égale à 0,2m. Selon un mode de réalisation de l'invention, le four comporte entre 1 et 20 ailettes par mètre. Selon un mode de réalisation de l'invention, les ailettes sont en acier inoxydable, avec ou sans revêtement. L'invention concerne également l'utilisation du four tournant selon l'invention pour réaliser le traitement thermique d'un matériau solide. Selon un mode de réalisation de l'invention, le traitement thermique est un traitement par torréfaction de biomasse solide. Selon un mode de réalisation de l'invention, le traitement thermique est un traitement thermique non-radiatif de matériaux solides. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées et données à titre d'exemple: la figure 1 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une variante du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une autre variante du dispositif selon l'invention, la figure 3a est une représentation schématique d'une coupe longitudinale d'une autre variante du dispositif selon l'invention et la figure 3b est une représentation schématique d'une coupe transversale de la même variante du dispositif selon l'invention, la figure 4 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une autre variante du dispositif selon l'invention, les figures 5a et 5b sont des représentations schématiques d'une coupe transversale de deux modes de mise en oeuvre d'une autre variante du dispositif selon l'invention, la figure 6 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une autre variante du dispositif selon l'invention, les figures 7a et 7b sont des représentations schématiques d'une coupe transversale de deux modes de mise en oeuvre d'une autre variante du dispositif selon l'invention, la figure 8 est une représentation schématique d'une coupe transversale d'une autre variante du dispositif selon l'invention. L'invention concerne un four tournant de traitement thermique, comme par exemple la torréfaction, de matériaux solides et par exemple des déchets de type ménagers, agricoles, industriels, et de la biomasse solide. La biomasse solide traitée dans le dispositif selon l'invention peut être par exemple de la ligno-cellulose (bois, paille, algues), de la lignine purifiée, de la cellulose ou un mélange de ces différentes biomasse. La torréfaction réalisée dans le cadre de l'invention consiste en un traitement thermique réalisé à des températures moyennes comprises en générale entre 80°C et 400°C, et de préférence entre 150 C° et 280 C°et en absence d'oxygène. Le four selon l'invention peut-être utilisé pour des traitements thermiques non-radiatifs, la charge est alors principalement chauffée par conduction. Le four tournant est un four classique de thermolyse ou pyrolyse tel que déjà décrit dans l'art antérieur. Le four tournant est donc formé par au moins un tube principal dans lequel est introduite la charge à traiter, et qui est chauffé par circulation de fumées chaudes ou par des résistances électriques ou par des brûleurs disposés à l'extérieure du tube. Le tube principal tourne en général autour d'un axe longitudinal permettant ainsi le brassage de la charge et donc un traitement homogène. Le tube du four est en général en acier inoxydable ou non, avec ou sans revêtement. Le tube principal formant le four tournant selon l'invention est doté sur sa face interne, c'est-à-dire celle qui est en contact avec la charge à traiter, d'ailettes chauffantes. La présence de ces ailettes permet d'augmenter la surface de contact de la charge à traiter avec la paroi du four, et ainsi de favoriser les échanges thermiques sans modifier la longueur du four, ni augmenter le temps de séjour de la charge dans le réacteur. Ces ailettes chauffantes sont chauffées par conduction de la chaleur depuis le tube. Pour des ailettes creuses (cornière par ex.), on peut éventuellement envisager de faire passer des gaz chauds en perçant le tube. Les ailettes sont solidaires du tube du four tournant soit par soudage à la paroi du four, soit par moulage lors de la fabrication du four, soit par remplacement de la paroi interne du four par une paroi formant les ailettes comme par exemple une tôle ondulée. En plus d'augmenter la surface, la présence d'ailettes donne une plus grande rigidité au four. Les ailettes utilisées dans le cadre de l'invention peuvent avoir différentes formes. La forme des ailettes peut être par exemple droite (figures 1 et 2), ondulée (figure 8), hélicoïdales (figures 3a et 3b), de style tôle ondulée (figures 5a et 5b). Il est également possible que les ailettes aient la forme de cornières (figure 4), avec un angle B compris en général entre 15° et 80°, de préférence entre 30° et 60°, et de manière très préférée entre 40° et 50°. Les ailettes peuvent également être en forme de demi-cylindre ou demi-tube (figure 6). Ces deux dernières configurations ont l'avantage de faciliter le glissement des plaquettes de biomasse lorsqu'elles sont remontées par les cornières ou les demi-cylindres. Les ailettes peuvent ainsi être des cornières ou demi-tube longitudinales de tailles identiques ou de tailles différentes ou bien hélicoïdales. Une autre forme d'ailette est la combinaison de cornière ou demi-cylindre et ailette droite soudée sur la cornière ou le demi-tube (figure 7a et 7b). La forme des ailettes peut aussi être choisie de façon à s'adapter au régime du four tournant par exemple roulement, cascade, cataracte, centrifugation, etc..., de façon à favoriser le transport de particules du lit et à diminuer le temps de séjour de la charge. Les ailettes doivent avoir une forme qui empêche l'accumulation des particules dans les coins pour empêcher la création des points chauds. Elles parcourent la totalité de la longueur du four et sont orientées selon l'axe radial du four. Le four tournant peut comporter entre 1 et 100 ailettes, de préférence entre 2 et 50, et de manière très préférée entre 4 et 20. Dans le cas d'ailette en forme de tôle ondulée, une ondulation correspondant à une ailette, le nombre d'ailettes (ondulations) peut être compris entre 1 et 20 par m (en référence au diamètre du four), de préférence entre 3 et 10 par m, et de manière très préférée entre 4 et 8. Le nombre d'ailettes est en général adapté en fonction de la forme des ailettes et du diamètre du tube du four. La hauteur des ailettes, sauf dans le cas des ailettes de forme tôle ondulée, doit être comprise en général entre 20% et 150% de la hauteur du lit au repos (H1;t) et de préférence entre 50% et 120%. Dans le cas d'ailettes de forme tôle ondulée la hauteur est en général inférieure à 20% de la hauteur du lit au repos (H,;t). La hauteur des ailettes ondulées est ainsi en général inférieure ou égale à 0,2 m et de préférence inférieure ou égale à 0.1 m. La hauteur du lit au repos correspond à la hauteur de la charge dans le four tournant lorsqu'il ne fonctionne pas. En général la valeur de "hauteur du lit au repos (H1;t) / diamètre (D) du four" est comprise entre 0,1 et 0,5, et de préférence entre 0,2 et 0,3. Le taux de remplissage du four est en général compris entre 5 et 50%, et de préférence entre 10 et 40%. Les ailettes sont en général en en acier carbone ou inoxydable ou autre avec ou sans revêtement. Les figures 1 et 8 illustrent le cas ou les ailettes (30) sont longitudinales (formées par une plaque parcourant toute la longueur du four) et droites (30) ou ondulées (30'), la sinusoïde définissant les ondulations étant orientée parallèlement à l'axe longitudinal du four. Une mise en oeuvre consiste à souder les ailettes dans les parois intérieures du tube (1) du four. II est également possible de mouler les ailettes directement lors de la fabrication du four. Les ailettes sont formées, chacune, par une plaque de la longueur du four. Les ailettes longitudinales (30, 30') parcourent ainsi toute la longueur du four. Les ailettes peuvent également être longitudinales et en forme de cornière (33) (figure 4). La figure 2 illustre une variante de l'invention utilisant des ailettes (31,32) longitudinales et droites ou ondulées, de différentes hauteurs (H, h, h étant inférieur à H) soudées ou moulées. Les ailettes sont de hauteur H (définie précédemment) et de hauteur (h) inférieure à (H). La hauteur (h) pouvant être comprise entre 1/10 de H et 9/10 de H, de préférence entre 2/10 de la hauteur (H) et 8/10 de la hauteur (H), et de manière très préférées entre 3/10 de la hauteur (H) et 7/10 de la hauteur (H). Les ailettes (31, 32) de différentes longueurs sont utilisées en alternance de façon à ce que les ailettes de même taille ne soient pas côte à côte : une plus haute, de hauteur (H) (31), et une moins haute, de hauteur (h) (32), ainsi de suite. Cela a pour avantage d'augmenter le nombre d'ailettes (et donc la surface en contacte avec le lit) sans risquer une possible obstruction de l'écoulement de solide à l'intérieur du four. Ces ailettes de différentes longueurs peuvent également être en forme de cornières (33) ou demi-cylindre (37). La figure 3 illustre une autre variante de l'invention dans laquelle l'ailette a une forme d'hélice hélicoïdale et est soudée à la paroi interne du four ou moulée directement lors de la fabrication du four. L'hélice est formée par une plaque droite ou ondulée (ce qui augmente encore la surface de contact), la sinusoïde définissant les ondulations étant orientée parallèlement à l'axe longitudinal du four, de hauteur (H) et parcourt toute la longueur du four. Ceci a pour avantage non seulement l'augmentation de surface mais aussi le transport de la matière solide située dans le lit, qui est poussée vers la sortie du tube par l'avancement de l'hélice, avec une vitesse égale au pas de l'hélice p multipliée par la vitesse de rotation (en s-1). En fonction du pas de l'hélice, il est possible d'introduire une ou plusieurs hélices imbriquées de même hauteur ou de hauteur différentes comme défini précédemment. Les hélices peuvent également être en forme de cornières (33) ou de demi-cylindre (37) ou tout autre formes déjà décrites précédemment. Les figures 5a et 5b illustrent une variante où les ailettes sont formées par une paroi ondulée (35) (figure 5a) ou semi-ondulée (les ondulations sont de hauteurs inférieures à celle des ondulations du cas ondulé) (36) (figure 5b) remplaçant la paroi interne originale du four. Les ondulations ou semi-ondulations sont parallèles à l'axe longitudinal du four. La figure 6 illustre une variante de l'invention où les ailettes sont en forme de demi-cylindre (37) ou demi-tube de hauteur (H). La partie arrondie est orientée vers l'intérieure du four et les demi-cylindres ou demi-tubes sont disposés longitudinalement et parallèlement à l'axe longitudinal du four. Les figures 7a et 7b illustrent une variante de l'invention où la forme des ailettes (38', 38") est une combinaison d'ailette en forme de cornière (380') ou demi-cylindre (380") et d'ailette droite (381', 381"), les ailettes droites (381', 381") étant soudées au sommet de la cornière (380') ou du demi-tube (380"). Les parties droites (381', 381") sont ainsi orientées vers l'intérieur du four. Les exemples comparatifs suivants illustrent la présente invention. Exemple 1 (figure 1): Les ailettes sont longitudinales et droites, soudées à la paroi du four. Pour un four tournant de diamètre (D) = 6 m, et de longueur (L) = 20 m, avec un taux de remplissage de 20% du volume du four de biomasse, et un transfert thermique par convection à l'intérieur du lit nul, les débits massiques de charge (Qm) calculés avec et sans ailettes sont : - Sans ailettes, Qm = 1,9 t / h - Avec 6 ailettes dont la hauteur (H) = hauteur du lit (hi;t)= 0,25*D, Qm = 3,8 t / h La présence des 6 ailettes permet une augmentation de 100 % du débit massique par rapport au même dispositif sans ailettes. Exemple 2 (figure 2): Les ailettes utilisées sont longitudinales et de deux longueurs différentes. Pour un four tournant de diamètre (D) = 6 m, et de longueur (L) = 20 m, avec un taux de remplissage de 20% % du volume du four de biomasse, et un transfert thermique par convection à l'intérieur du lit nul, les débits massiques de charge calculés avec et sans ailettes sont : - Sans ailettes, Qm = 1,9 t / h Avec 6 ailettes de hauteur (H) = hi;t = 0,25*D et 6 ailettes de hauteur (H) 1/2 = hait /2, Qm = 4,7 t / h L'ajout des ailettes de hauteurs différentes permet une augmentation de 147 % du débit 20 massique. Exemple 3 (figure 3): Les ailettes utilisées sont en forme d'hélice hélicoïdale. Pour un four tournant de 25 diamètre (D) = 6 m, et de longueur (L) = 20 m, avec un taux de remplissage de 20% de biomasse, et un transfert thermique par convection à l'intérieur du lit nul, les débits massiques (Qm) de charge calculés avec et sans ailettes sont : Sans ailettes, Qm = 1,9 t / h 30 - Avec 1 ailette de hauteur H = hi;t = 0.25*D et pas de l'hélice (p) = 0,25 m, Qm = 5,65t/h L'ajout des ailettes sous forme d'hélice hélicoïdale permet une augmentation de 197 % du débit massique. Exemple 4 (figure 5): Les ailettes utilisées sont en forme de tôle ondulée. Pour un four tournant de diamètre (D) = 6 m, et de longueur (L) = 20 m, avec un taux de remplissage de 20% du volume du four de biomasse, et un transfert thermique par convection à l'intérieur du lit nul, les débits massiques de charge calculés pour une paroi lisse et pour une paroi ondulée sont: Sans ailettes, Qm = 1,9 t / h - Avec une paroi ondulée dont les ondulations ont une amplitude A = 0,05m et une longueur d'onde À = 0,288 (100 périodes), Qm = 2,9 t/h. L'amplitude A étant définie comme la distance entre le maximum de l'onde et l'axe horizontal. L'ajout des ailettes en forme de tôle ondulée permet une augmentation de 52 % du débit massique. Exemple 5 (figure 5): Les ailettes utilisées sont en forme de tôle ondulée. Pour un four tournant de diamètre (D) = 6 m, et de longueur (L) = 20 m, avec un taux de remplissage de 20% du volume 25 du four de biomasse, et un transfert thermique par convection à l'intérieur du lit nul, les débits massiques de charge calculés pour une paroi lisse et pour une paroi ondulée sont: - Sans ailettes, On, = 1,9 t / h 30 - Avec une paroi ondulée dont les ondulations ont une amplitude A = 0,02m et une longueur d'onde À = 0,1 (180 périodes), Qm = 2,4 t/h.20 L'ajout des ailettes en forme de tôle ondulée permet une augmentation de 26 % du débit massique. L'utilisation d'un four tournant comportant des ailettes selon l'invention, quelques soient leur forme, permet d'augmenter la surface de contact entre la paroi du four et la charge de biomasse. Ceci permet un meilleur transfert thermique par conduction et donc une réduction du temps de séjour dans le réacteur. La conséquence est une augmentation du débit massique de la charge à traiter ou bien une réduction de la longueur du réacteur. De plus les ailettes peuvent favoriser le déplacement de la charge à l'intérieur du four ainsi que le brassage de la charge et donc l'homogénéité du produit final. II doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications. REVENDICATIONS1. Four tournant destiné au traitement thermique de matériaux solides comprenant au moins un tube (1) tournant dans lequel sont introduits les matériaux solides et un moyen de chauffage externe au tube tournant permettant de réaliser le traitement thermique, caractérisé en ce que le tube tournant comporte sur sa face interne, en contact avec la charge à traiter, au moins 1 ailette chauffante (30, 31, 32, 33, 34, 35, 36). 2. Four tournant selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ailette chauffante (30, 31, 32, 34, 37) est longitudinale, parcoure toute la longueur du four tournant et est orientée selon l'axe radial du four tournant. 3. Four tournant selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ailette (33) est en forme d'hélice hélicoïdale parcourant toute la longueur du four tournant et orientée selon l'axe radial du four. 4. Four tournant selon une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que l'ailette est droite ou ondulée, la sinusoïde définissant les ondulations étant orientée parallèlement à l'axe longitudinal du four (30, 31, 32). 5. Four tournant selon une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que l'ailette est en forme de cornière (34) ou de demi-cylindre (37). 6. Four tournant selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'ailette (38', 38") comporte à son sommet une ailette longitudinale droite (381', 381") orientée vers l'intérieur du four. 7. Four tournant selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux ailettes (31, 32) d'au moins deux hauteurs (H, h) différentes disposées alternativement de façon à ce que les ailettes de même taille ne soient pas côte à côte. 8. Four tournant selon une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comporteentre 1 et 100 ailettes. 9. Four tournant selon une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la hauteur (H,h) des ailettes est comprise entre 20 et 150% de la hauteur du lit au repos (H1 ). 10. Four tournant selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'au moins une ailette a une hauteur (H) comprise entre 20% et 150% de la hauteur du lit au repos dans le four, et au moins une ailette a une hauteur (h) inférieur à la hauteur (H). 11. Four tournant selon une des revendications 9 à 10 caractérisé en ce que la valeur de "hauteur du lit au repos/par le diamètre (D) du four tournant" est comprise entre 0,1 et 0,5. 12. Four tournant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ailettes (35) sont formées par une tôle ondulée remplaçant la paroi interne du four, les ondulations étant parallèles à l'axe longitudinal du four. 13. Four tournant selon la revendication 1 caractérisé en ce que les ailettes (36) sont formées par une tôle semi-ondulée remplaçant la paroi interne du four. 14. Four tournant selon une des revendications 12 à 13 caractérisé en ce que la hauteur des ailettes est inférieure ou égale à 0,2m. 15. Four tournant selon une des revendications 12 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte entre 1 et 20 ailettes par mètre. 16. Four tournant selon une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que les ailettes sont en acier inoxydable, avec ou sans revêtement. 17. Utilisation du four tournant selon l'une des revendications 1 à 16 pour réaliser le traitement thermique d'un matériau solide. 18. Utilisation du four tournant selon la revendication 17 dans lequel le traitement thermique est un traitement par torréfaction de biomasse solide. 19. Utilisation du four tournant selon la revendication 17 dans lequel le traitement thermique est un traitement thermique non-radiatif de matériaux solides. 14