Brevet FR2942730A1 — publié le 20100910

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de la fabrication industrielle de granulés et notamment de granulés de bois destinés à être utilisés comme combustible pour la distribution de chaleur et a pour objet une machine de granulation d'une matière compacte et notamment d'une matière compacte de bois. On sait que les granulés de ce type, plus généralement connus sous la dénomination d'origine anglaise de �pellets�, sont issus de produits réduits en poudre et humidifiés puis fortement compressés. Les pellets de bois, par exemple, qui constituent d'excellents combustibles pour la distribution de chaleur sont réalisés à partir d'une matière compacte issue d'un compactage de sous-produits de la première transformation du bois comme la sciure et présentent un taux d'humidité très faible permettant d'optimiser leur combustion. La fabrication des pellets, notamment des pellets de bois, à partir d'une matière compacte est réalisée actuellement à l'aide de machines de granulation comprenant généralement, d'une part, une organe de pressage rotatif, tournant autour d'un axe de rotation, comportant au moins un rouleau broyeur et compresseur de forme générale cylindrique, d'axe de révolution perpendiculaire audit axe de rotation, dont la surface de révolution est constituée par une succession de portions de surface de révolution en creux et de portions de surface de révolution complémentaires et, d'autre part, une matrice plane horizontale comportant une pluralité d'orifices à granulation. Le rouleau est alors apte, sous l'effet de son roulement sur la matrice plane ou sur un plan parallèle à proximité immédiate de cette dernière à saisir, notamment grâce auxdites portions de surface de révolution, la matière compacte et à la presser à travers les orifices à granulation, laquelle matière est ensuite coupée en pellets à la sortie desdits orifices. Toutefois, ces machines de granulation qui utilisent un principe similaire à celui d'un laminoir en compressant la matière entre les rouleaux et la matrice ne permettent pas d'obtenir des pellets suffisamment compressés. D'autre part, ces machines connues utilisent en outre des générateurs de vapeur à haute température pour ramollir la matière à granuler en vue de la compresser et des refroidisseurs pour baisser, en sortie -2- de matrice, la température des pellets due à la température élevée de la vapeur, ne permettent pas d'obtenir des rendements importants. La présente invention a pour but de pallier à ces inconvénients en proposant une machine de granulation permettant d'obtenir des pellets, notamment des pellets de bois, avec une densité supérieure à celle des pellets obtenus avec les machines à granulation actuelles et avec un rendement supérieur à celui de ces dernières, sans nécessiter de ramollissement préalable des matières à granuler. A cet effet, la présente invention a pour objet une machine de granulation telle que décrite ci-dessus, qui se caractérise essentiellement en ce que les portions de surface en creux et les portions de surface complémentaires du ou de chacun des rouleaux broyeurs sont configurées pour fournir également une action de frappe de la matière pincée ou comprimée entre ledit rouleau et la matrice. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique partielle en coupe d'une machine de granulation selon la présente invention (les moyens d'alimentation, de découpe et d'entraînement n'étant pas représentés), - la figure 2 représente une vue de dessus de la partie de la machine de la figure 1 selon la présente invention, - la figure 3 représente une vue en perspective d'un rouleau de 25 compression d'une machine selon une première variante de réalisation de la présente invention, - la figure 4 représente une vue en coupe transversale du rouleau de la figure 3, - la figure 5 est une vue de dessus, à une échelle différente, 30 d'une matrice d'extrusion faisant partie d'une machine de granulation selon une variante de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue en coupe selon A-A de la matrice de la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en élévation latérale d'un rouleau 35 broyeur similaire à celui de la figure 4, selon une variante de réalisation de l'invention ; -3- - la figure 8 est une vue en coupe selon B-B du rouleau représenté sur la figure 7 ; - les figures 9 et 10 sont des vues identiques aux figures 4 et 7 d'autres variantes de réalisation d'un rouleau broyeur. En se référant à la figure 1 et à la figure 2, on peut voir qu'une machine de granulation, selon la présente invention comprend notamment, d'une part, un organe de pressage rotatif, tournant autour d'un axe de rotation 1", généralement vertical, comportant au moins un rouleau broyeur et compresseur 1 de forme générale cylindrique, d'axe de révolution 1' perpendiculaire audit axe de rotation 1", monté sur un arbre radial formant essieu et dont la surface de révolution est constituée par une succession de portions de surface en creux 2 et de portions de surface complémentaires proéminentes 4, d'autre part, une matrice plane 3 horizontale par exemple sous forme de plaque discoïdale et comportant une pluralité d'orifices à granulation 3', le au moins un rouleau broyeur et compresseur 1 étant apte, sous l'effet de son roulement sur ladite matrice plane 3 ou sur un plan parallèle à proximité immédiate de cette dernière, à saisir la matière compacte et à la presser à travers les orifices à granulation 3'. De manière caractéristique, les portions de surface en creux 2 et les portions de surface complémentaires 4 sont configurées pour fournir également une action de frappe de la matière pincée ou comprimée entre ledit rouleau 1 et la matrice 3. On entendra par portion de surface complémentaire 4, une portion de la surface de révolution du rouleau broyeur et compresseur 1 qui 25 relie deux portions de surfaces en creux 2. La succession de portions de surface en creux 2 et de portions de surface de révolution complémentaires 4 forme de préférence une succession de dents 4' profilées dans le sens de l'axe de révolution 1' du rouleau broyeur et compresseur 1 et situées chacune entre deux crans 2. En 30 outre les portions de surface complémentaires 4 seront de préférence planes ou sensiblement planes et la surface externe de chaque dent 4' formera de préférence une portion de surface complémentaire 4. Les dimensions des portions de surface planes 4 des dents 4' sont supérieures aux sections des ouvertures d'entrée des orifices 3' 35 traversants de la matrice 3. Les rouleaux broyeurs et compresseurs 2, préférentiellement au moins au nombre de deux, circulent dans une chambre de compression -4- alimentée en matière à broyer, généralement par le haut, et délimitée en partie inférieure par la matière d'extrusion ou filière 3. Si l'on se réfère maintenant aux figures 3, 4 et 7 à 10, on peut voir que dans un mode de réalisation préférentiel des crans 2, ceux-ci présentent une section transversale en forme de V comprenant, dans le sens de la rotation axiale du au moins un rouleau broyeur et compresseur 1, une branche avant 2" et une branche arrière 2', lesdites branches formant, respectivement, les faces longitudinales avant et arrière dudit cran 2 correspondant. On entend dans la présente par face longitudinale avant 2" d'un cran 2, la face longitudinale qui est en avance par rapport à l'autre face longitudinale ou face longitudinale arrière 2', pour une rotation axiale du au moins un rouleau 1, tel que représenté sur la figure 4, dans le sens des aiguilles d'une montre. De préférence, comme on peut le voir sur les figures 4, 7, 9 et 10, la branche arrière 2" du V s'étend radialement en sorte que la face arrière du cran 2 correspondant soit située dans un plan radial passant par ladite face et par l'axe 1' du au moins un rouleau broyeur et compresseur 1. La conformation et les dimensions des crans 2 et des dents 4', ainsi que leur écartement mutuel ou pas sont préférentiellement déterminées de manière spécifique pour chaque type de matière à broyer (biomasse, bois, plastique, etc ...), en fonction par exemple de sa dureté, de son degré d'humidité, de son comportement en regard de la pression et de la chaleur ou analogue, et selon les caractéristiques (densités, tailles, ...) des granulés à obtenir. Ainsi, l'ouverture angulaire (a) des crans 2 en V permet de régler la puissance de l'action de frappe sur la matière à granuler, le nombre de crans 2 permet de déterminer la fréquence de frappe tandis que la profondeur (p) des crans 2 permet de créer un effet de cuillère pour puiser la matière à granuler. En outre, pour obtenir un effet de frappe suffisant, l'inventeur a constaté qu'il est préférable que l'ouverture des crans 2, c'est-à-dire l'écart entre deux portions de surface de frappe 4, soit supérieure à environ 4 mm. En accord avec un mode de réalisation pratique de l'invention, convenant notamment pour la fabrication des pellets ou granulés à base de bois ou de bois et de matière plastique (déchets de menuiserie), les angles -5- d'ouverture, la répartition circonférentielle et les dimensions des crans 2 sont déterminés de manière que : - l'angle d'ouverture (a) du V soit compris entre 45° et 70°, de préférence compris entre 45° et 55°, avantageusement environ égale à 50° ; - la profondeur (p) des crans 2 soit comprise entre 3 et 9 mm, de préférence comprise entre 5 et 8 mm, avantageusement environ égale à 7mm; - l'écart angulaire (b) entre deux crans 2 successifs soit compris entre 12° et 25°, de préférence compris entre 15° et 20°, avantageusement de l'ordre de 16,5°. De plus, le diamètre extérieur D de chaque rouleau 1 est avantageusement compris entre 90 mm et 150 mm, préférentiellement entre 100 mm et 130 mm. Dans le cas où la branche arrière du V s'étend radialement, on entend par profondeur des crans 2, la longueur (p) de ladite branche arrière et l'écart angulaire entre deux crans 2 successifs correspond à l'écart angulaire formé par les branches arrières 2' desdits crans 2 successifs qui s'étendent radialement. L'inventeur a constaté que les écarts angulaires mentionnés ci- dessus permettent un fonctionnement plus efficace du au moins un rouleau broyeur et compresseur lorsqu'il est plus particulièrement associé à une matrice plane permettant d'obtenir des pellets d'un diamètre compris entre environ 6 et 8 mm. De préférence, chaque rouleau broyeur et compresseur 1 est monté de manière amovible sur son arbre support radial formant axe de révolution et de rotation 1', par exemple au moyens de vis, non représentées, vissées dans des ouvertures filetées 6 pratiquées longitudinalement dans ledit rouleau autour d'une cavité axiale 7 destinée à recevoir l'extrémité de l'arbre formant axe l'. De préférence, chaque rouleau broyeur et compresseur 1 et la matrice 2 sont réalisés à partir d'un acier inoxydable, en particulier d'un acier dur non cassant, par exemple du type HRC 58 ou HRC 62. Un tel rouleau broyeur et compresseur 1 selon la présente invention permet de frapper une matière compacte, plus particulièrement une matière compacte dure, avec comme effet un dégagement de chaleur suffisant pour ramollir ladite matière (la mise en oeuvre d'un ramollissement préalable spécifique par exposition à la vapeur devient superflue). -6- Pour la fabrication de pellets de bois, par exemple, le dégagement de chaleur ainsi créé aura pour effet de faire fondre la lignine contenu dans le bois avec un dégagement de vapeur et partant de ramollir ce dernier. Ainsi, contrairement aux machines actuelles, la machine selon la présente invention ne nécessite pas la mise en oeuvre d'un générateur de vapeur à haute température pour ramollir la matière. Par ailleurs, l'association d'une matrice plane ou plate avec au moins un rouleau broyeur et compresseur 1 selon la présente invention permet, d'une part, d'obtenir un assèchement très important de la matière et, d'autre part, une force centrifuge générant un tourbillon qui aspire la matière et la projette sous ledit au moins un rouleau, ce qui augmente d'autant la quantité de matière par unité de temps sous ce dernier avant la frappe. Un tel tourbillon ne peut être obtenu que très difficilement avec les machines actuelles utilisant des matrices planes du fait de la matière chaude et humide obtenue avec les générateurs de vapeur qui sont installés dans lesdites machines. C'est pourquoi de nombreuses machines actuelles n'utilisent pas de matrice plane mais des matrices cylindriques avec des rouleaux broyeurs et compresseurs actionnés grâce à des bras motorisés. Toutefois de telles matrices cylindriques présentent l'inconvénient d'être très coûteuses et plus complexes à fabriquer et à maintenir. En outre, les pellets obtenus avec une machine selon la présente invention ont une densité bien supérieure à ceux qui sont fabriqués par les machines actuelles. Enfin, les pellets obtenus avec une machine selon la présente invention ont une température relativement basse en sortie de matrice, d'environ 60 °C pour des pellets de bois, qui ne nécessite pas d'être baissée contrairement aux pellets obtenus avec les machines actuelles où les pellets sortent de la matrice avec une température élevée, égale à environ 160 °C pour des pellets de bois, qui nécessite l'utilisation d'un refroidisseur. Une machine selon la présente invention qui n'utilise ni générateur de vapeur, ni de refroidisseur, permet d'obtenir d'une part des rendements supérieurs à ceux obtenus avec les machines actuelles et d'autre part un prix de revient nettement inférieur. On notera également que l'organe de pressage rotatif comporte avantageusement au moins deux rouleaux broyeurs et compresseurs 1. -7- Bien que les orifices traversants 3' de la matrice 3 puissent, de manière connue, présenter une forme cylindrique (fig. 1) ou tronconique sur leur extension à travers l'épaisseur de la plaque formant la matrice 3, les orifices à granulation 3' de la matrice plane 3 comprennent de préférence chacun une partie tronconique 8 à chaque extrémité ouverte reliées entre elles par une partie cylindrique centrale 8' (fig. 6), de manière à former des passages tubulaires avec des portions d'extrémité débouchantes évasées. D'autre part, pour le bois résineux, le diamètre extérieur débouchant des parties coniques 8 est préférentiellement compris entre 6 et 10 mm, préférentiellement de l'ordre de 8 mm (avec des angles d'ouverture compris entre 10 ° et 20 °, préférentiellement entre 12 ° et 16 °), et le diamètre de la partie cylindrique centrale 8' sera compris entre 4 et 8 mm, préférentiellement de l'ordre de 6 mm. La matrice 3 peut comporter des orifices 3' répartis sur toute sa 15 surface (fig. 1) ou uniquement au niveau des chemins de roulement des rouleaux 1 sur sa surface supérieure (fig. 5). En outre, la matière à comprimer et à granuler présente dans la chambre de compression sera soumis du ou des rouleaux 1 à des mouvements de convexion entre la région centrale de ladite chambre et sa 20 paroi latérale circonférentielle. D'autre part enfin, le principe d'une machine selon la présente invention, en terme de transmission de puissance et d'alimentation en matière, est beaucoup plus simple que celui des machines actuelles et ne requiert qu'un seul moteur. 25 On comprendra que si une machine selon la présente invention est particulièrement adaptée pour produire des pellets de bois, elle est également adaptée pour produire des pellets à partir d'autres matériaux que le bois tels que des matériaux alimentaires séchés comme le persil, le houblon, la betterave rouge ou pour produire des produits chimiques pour 30 l'industrie d'adjuvant PVC, des granulés alimentaires ou encore des granulés alimentaires pour vétérinaires. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers 35 éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1) Machine de granulation d'une matière compacte, notamment d'une matière compacte de bois, du type comprenant, d'une part, un organe de pressage rotatif, tournant autour d'un axe de rotation (1"), comportant au moins un rouleau broyeur et compresseur (1) de forme générale cylindrique et d'axe de révolution (1') perpendiculaire audit axe de rotation (1"), dont la surface de révolution est constituée par une succession de portions de surface en creux (2) et de portions de surface complémentaires (4), d'autre part, une matrice plane (3) horizontale comportant une pluralité d'orifices d'extrusion ou à granulation (3'), le au moins un rouleau broyeur et compresseur (1) étant apte, sous l'effet de son roulement sur ladite matrice plane (3) ou sur un plan parallèle à proximité immédiate de cette dernière, à saisir la matière compacte, à la broyer et à la presser à travers lesdits orifices (3'), machine caractérisée en ce que les portions de surface de révolution en creux (2) et les portions de surfaces de révolution complémentaires (4) sont configurées pour fournir également une action de frappe de la matière pincée ou comprimée entre ledit rouleau (1) et la matrice (3). 2) Machine, selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la succession de portions de surface en creux (2) et de portions de surface complémentaires (4) forme en une succession de dents (4') profilées dans le sens de l'axe de révolution (1') et situées chacune entre deux crans (2) et en ce que, d'une part, les portions de surface complémentaires (4) sont planes ou sensiblement planes et, d'autre part, la surface externe de chaque dent (4') forme une portion de surface complémentaire (4). 3) Machine, selon la revendication 2, caractérisée en ce que la section transversale d'un cran (2) est en forme de V et comprend, dans le sens de la rotation axiale du au moins un rouleau broyeur et compresseur (1), une branche avant (2") et une branche arrière (2'), lesdites branches formant, respectivement, les faces longitudinales avant et arrière dudit cran (2) correspondant. 4) Machine, selon la revendication 3, caractérisée en ce que la branche arrière (2") du V s'étend radialement en sorte que la face arrière du cran (2) correspondant soit située dans un plan radial passant par ladite face- S - et par l'axe de révolution (1') du au moins un rouleau broyeur et compresseur (1). 5) Machine, selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les angles d'ouverture, la répartition circonférentielle et les dimensions des crans (2) sont déterminés de telle manière que : - l'angle d'ouverture (a) du V soit compris entre 45° et 70°, de préférence compris entre 45° et 55°, avantageusement environ égale à 50° ; - la profondeur (p) des crans (2) soit comprise entre 3 et 9 mm, de préférence comprise entre 5 et 8 mm, avantageusement environ égale à 7 mm ; - l'écart angulaire (b) entre deux crans (2) successifs soit compris entre 12° et 25°, de préférence compris entre 15° et 20°, avantageusement de l'ordre de 16,5°. 6) Machine selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le diamètre extérieur (D) de chaque rouleau (1) est compris entre 90 mm et 150 mm, préférentiellement entre 100 mm et 130 mm. 7) Machine, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque rouleau broyeur et compresseur (1) est monté de manière amovible sur son arbre support radial formant axe de révolution et de rotation (1'). 8) Machine, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit au moins un rouleau broyeur et compresseur (1) et la matrice (2) sont réalisés à partir d'un acier inoxydable, en particulier un acier dur non cassant. 9) Machine, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'organe de pressage rotatif comporte au moins deux rouleaux compresseurs (1). 10) Machine, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les orifices à granulation (3') de la matrice plane (3), les orifices à granulation (3') de la matrice plane (3) comprenant de préférence chacun une partie tronconique (8) à chaque extrémité reliées par une partie cylindrique centrale (8'). 11) Machine, selon la revendication 10, caractérisée en ce que 35 le diamètre extérieur des parties coniques (8) est compris entre 6 et 10 mm, préférentiellement de l'ordre de 8 mm, et en ce que le diamètre de la partie- 10 - cylindrique centrale (8') est compris entre 4 et 8 mm, préférentiellement de l'ordre de 6 mm.