Brevet FR2953852A1 — publié le 20110617

La présente invention a pour objet de proposer un procédé de formulation de granulés combustibles végétaux à partir de la biomasse. L'écologie et la préservation de l'environnement sont actuellement l'une des préoccupations majeures des Autorités du monde entier. Pour cette raison, celles-ci encouragent le développement des énergies renouvelables, de façon à réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère qui sont l'une des principales sources du réchauffement climatique. Parmi les énergies renouvelables ainsi appelées à un essor 10 rapide dans les prochaines années, on peut noter les énergies solaire, éolienne, hydraulique et la combustion de la biomasse. Le terme biomasse recouvre en règle générale les biocarburants ainsi que des combustibles tels que le bois ou les agrocombustibles qui sont issus de la récolte annuelle des végétaux et correspondent essen- 15 tiellement à des coproduits de l'agriculture et à des résidus de transformations agroalimentaires après séparation de la partie noble. Dans ce contexte auquel s'ajoute la raréfaction progressive des énergies fossiles de type pétrole dont le coût devient de plus en plus élevé, de nombreux particuliers ou collectivités ont opté pour le chauffage 20 au bois et ont donc acquis des chaudières dédiées à ce type de combustible. Ces chaudières qui peuvent être aussi sophistiquées que les chaudières au gaz ou au fuel utilisent avantageusement en tant que combustible des granulés de bois obtenus par séchage et granulation de la 25 sciure produite dans des scieries. De tels granulés de bois présentent l'avantage d'être d'un prix relativement peu élevé et d'avoir des caractéristiques de combustion constantes globalement satisfaisantes. Ils ne sont toutefois disponibles qu'en quantité limitée 30 compte tenu d'une part de la faible étendue des forêts dans certaines zones géographiques et du nombre d'années nécessaires à la croissance des arbres, et d'autre part et principalement des utilisations autres de ces sous-produits, par exemple dans l'industrie du papier ou encore pour la fabrication de panneaux agglomérés ou de litières. 35 Pour remédier à cet inconvénient, on a déjà eu l'idée de fa-briquer des granulés combustibles à partir de matières premières végéta-les autres que le bois ou des granulés « mixtes » agrocombustibles de provenances diverses/bois. 2 De tels agrocombustibles qui sont obtenus à partir de sous-produits agricoles ou de coproduits industriels, notamment des industries alimentaires ou de l'industrie pharmaceutique, sont disponibles en grande quantité et sont particulièrement bon marché dans la mesure où ils ne sont en règle générale pas valorisés sauf sous forme de compost. Ils présentent toutefois l'inconvénient de ne brûler que difficilement en produisant une grande quantité de cendres, ce qui exige l'utilisation de chaudières spécifiques équipées de foyers adaptés qui sont très coûteuses en investissement et en maintenance. Il existe en outre deux principaux problèmes inhérents à la combustion des agrocombustibles (c'est-à-dire de la biomasse autre que le bois) : Le premier de ces problèmes est lié à la valeur de la température de fusion des cendres qui est particulièrement basse, ce qui en- traîne dans les foyers des problèmes de mâchefer pouvant avoir des conséquences très graves allant jusqu'à la destruction du foyer. Le second problème est lié à l'émission de gaz pouvant être corrosifs ou nocifs du fait de leur composition, notamment de leur teneur en azote, en soufre et surtout en chlore. De surcroît, les caractéristiques des granulés obtenus à partir de sous-produits agricoles ou de coproduits industriels varient dans une large mesure en fonction de la nature de la matière première utilisée pour leur fabrication, donc de leur provenance et sont en outre tributaires des conditions climatiques (météorologie, saison, humidité) et de paramè- tres autres tels que la qualité de la récolte ou de l'élevage, la présence d'irrégularités dans les procédés de transformation agroalimentaires et donc les sous-produits qui en sont issus, le vieillissement, la durée de stockage et de transport, les conditions de conservation... Il est par suite à priori extrêmement difficile d'obtenir à par- tir d'agrocombustibles des granulés ayant une qualité satisfaisante et constante, ce quelle que soit leur provenance, la saison et les conditions climatiques. Or, une telle constance des caractéristiques de combustion des granulés est une condition indispensable pour permettre un dévelop- pement à grande échelle de ce type de combustible, issu de la biomasse. En effet, si les caractéristiques des agrocombustibles sont irrégulières selon les différents approvisionnements, leur combustion est 3 perpétuellement déréglée, ce même s'ils ont une qualité intrinsèquement satisfaisante. De tels déréglages de la combustion peuvent notamment avoir pour conséquences : - une diminution des rendements de la combustion entraînant des sur-consommations ; l'apparition de désordres dans les foyers des chaudières : non homogénéité du feu, surchauffes localisées, etc ; l'apparition de phénomènes d'encrassement des foyers et des échangeurs par des suies ou goudrons. Dans ce contexte, la présente invention a pour objet de pro-poser un procédé de formulation permettant d'obtenir à partir de la biomasse des granulés combustibles qui satisfont à un cahier des charges prédéfini de façon à présenter des caractéristiques de combustion en tout 15 point satisfaisantes et une qualité constante, ce quelles que soient la nature et la provenance des matières premières utilisées. Un tel cahier des charges dont un exemple est mentionné en annexe 1 définit non seulement le pouvoir calorifique des granulés, mais également des paramètres autres tels que la quantité de cendres 20 produites après combustion, la fusibilité de ces cendres, l'acidité des fumées dégagées, ou encore des paramètres liés au processus de granulation (densité ou porosité des granulés, teneur en fines)... Pour parvenir à cette qualité constante dans l'espace et dans le temps et satisfaire à ce cahier des charges, il est proposé confor- 25 mément à l'invention d'utiliser en tant que source d'approvisionnement au moins une et en règle générale plusieurs matières premières végétales de nature à être associées de sorte que des qualités des unes puissent compenser des défauts des autres. Il est essentiel que toutes ces matières premières végétales 30 soient d'origine locale et immédiatement disponibles de sorte que leur coût ne soit pas augmenté par des frais de transport, de stockage ou de séchage. Par suite, les granulés combustibles obtenus par la mise en oeuvre du procédé de formulation conforme à l'invention ont des composi- 35 tions différentes selon les régions ou les saisons, mais ont toujours des caractéristiques constantes définies par le cahier des charges de sorte qu'ils puissent être avantageusement brûlés dans des chaudières adaptées standardisées. 4 La première étape de ce procédé de formulation conforme à l'invention consiste plus précisément à recenser les matières premières végétales c'est-à-dire les éventuelles sources de biomasse localement disponibles de façon à sélectionner des composants candidats susceptibles d'être utilisés pour la fabrication de granulés combustibles. Comme il a déjà été indiqué, il s'agit là principalement de déchets agricoles ou de coproduits industriels classiquement non valorisés tels qu'à titre d'exemple dans la région Ile de France des déchets de blé, de la paille de lin, des fanes ou tiges de maïs ou des tourteaux de colza. Les granulés obtenus par la mise en oeuvre du procédé de formulation conforme à l'invention peuvent également le cas échéant renfermer des déchets de bois (plaquettes, écorces, sciure...) qui constituent une matière première annexe pouvant éventuellement être ajoutée pour satisfaire au cahier des charges si cela n'est pas possible autrement. Les composants candidats ainsi sélectionnés sont ensuite soumis dans une seconde étape à une analyse chimique et thermochimique. L'analyse chimique permet de déterminer la composition des composants candidats. L'analyse thermochimique correspond à la détermination du pouvoir calorifique, du taux de cendres, de matières volatiles ou du taux d'humidité des composants candidats, donc à une analyse immédiate de ces composants. Il est en particulier à noter que le taux de cendres issues de la combustion de granulés combustibles doit être le plus faible possible dans la mesure où ce taux est lié au pouvoir calorifique et où de surcroît l'évacuation des cendres est très contraignante pour l'utilisateur. Cette analyse chimique et thermochimique des composants candidats est suivie dans une troisième étape d'une étude de leurs carac- téristiques physiques. Cette étude a pour fonction de déterminer les facultés de mélange des composants candidats et par suite de permettre de sélectionner parmi ces composants des composants pouvant être combinés de façon à obtenir des granulés combustibles caractéristiques satisfaisant au cahier des charges. Cette étude des caractéristiques physiques des composants candidats s'effectue à trois niveaux. Le premier niveau correspond à un examen de la granulométrie de l'agrocombustible à l'état brut, c'est-à-dire du sous-produit agricole ou du coproduit industriel, en sortie du procédé initial ayant permis son obtention. 5 Cet examen permet de déterminer si le composant candidat doit subir une opération de broyage avant de pouvoir être incorporé dans un mélange ou être soumis à une granulation. A titre d'exemple, des grignons d'olives correspondent à des sous-produits très fins qui sont immédiatement incorporables dans un 10 mélange sans nécessiter de broyage. Le second niveau correspond à une étude de la densité des composants candidats. Cette étude permet de déterminer la faculté de mélange des différents composants candidats à l'état brut. 15 On se heurte en effet à des difficultés lorsque l'on mélange des composants de faible densité avec des composants de forte densité dans la mesure où l'on aboutit alors à une mauvaise homogénéité. Il est par suite nécessaire d'écarter les produits de densité extrême. 20 En d'autres termes, le second niveau de l'étude des caractéristiques physiques des composants candidats consiste à permettre de dé-terminer si des composants candidats ont à l'état brut des densités suffisamment proches pour être mélangés ou si un tel mélange ne peut pas être envisagé sans broyage ultérieur de certains de ces composants. 25 Le troisième niveau de l'étude des caractéristiques physiques des composants candidats correspond quant à lui à l'analyse de la faculté de granulation de ces composants. Il est connu que pour permettre une granulation satisfaisante d'un produit, il est nécessaire que ce produit renferme une quantité 30 suffisante d'amidon qui constitue un adjuvant de granulation. Cette analyse de la faculté de granulation des composants candidats correspond donc à la détermination de leur teneur en amidon à l'état brut. Il est à noter que si la teneur intrinsèque en amidon d'un 35 composant candidat ou d'un mélange de composants candidats sélectionné(s) s'avère insuffisante pour permettre une granulation satisfaisante, il est possible de remédier à cette situation par addition d'un additif de liai-son tel qu'à titre d'exemple du lignosulfite. 6 L'analyse chimique et thermochimique et l'étude des caractéristiques physiques des composants candidats permet l'établissement d'un tableau récapitulatif. Ce tableau récapitulatif permet de sélectionner à partir des composants candidats un ou en règle générale au moins deux composants de base susceptibles d'être mélangés pour permettre d'obtenir après granulation, des granulés combustibles qui satisfont au cahier des charges. Cette sélection est effectuée en premier lieu en fonction de la contribution des différents composants candidats à des caractéristiques de combustion, telles que le pouvoir calorifique ou la teneur en cendres. Après avoir sélectionné le composant de base ou le mélange des composants de base, il est nécessaire de régler et d'optimiser la température de fusion des cendres et la corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion de ce produit de base. Comme il a déjà été indiqué, il est essentiel que la température de fusion des cendres obtenues après combustion de granulés végétaux soit suffisamment faible pour éviter les problèmes de mâchefer. Plus précisément, la température du foyer des chaudières utilisées pour la combustion de granulés végétaux peut monter jusqu'à environ 1 000 °C alors que la température de déformation des cendres issues de la combustion d'agrocombustibles est en règle générale de l'ordre de 700°C. Il est donc indispensable d'augmenter cette température par apport d'additifs minéraux, notamment de calcium. Il est en effet connu que la concentration en silice, en potassium et en sodium d'un composant abaisse cette température de fusion des cendres alors que sa teneur en calcium augmente celle-ci. La corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion d'un agrocombustible peut être déduite de la composition chimi-30 que de ce produit et en particulier du rapport soufre/chlore. Elle peut elle aussi être abaissée par apport d'additifs minéraux, à titre d'exemple de sodium, pour neutraliser le chlore et réduire l'acidité. Conformément à l'invention, l'étape de réglage et 35 d'optimisation de la température de fusion des cendres et de la corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion du produit de base préalablement sélectionné est elle aussi effectuée à partir du tableau récapitulatif préalablement établi. 7 L'analyse de ce tableau récapitulatif permet en effet de dé-terminer le travail restant à effectuer après sélection du ou des composant(s) constitutif(s) du produit de base pour obtenir, après granulation, des granulés de nature à satisfaire au cahier des charges, en particulier concernant la température de fusion des cendres et la corrosivité et nocivité des fumées produites après combustion. Ce travail consiste plus précisément à choisir les proportions relatives des différents constituants du produit de base, au sein de ce produit, ainsi qu'à déterminer la nature et les proportions relatives d'un mélange ou noyau d'additifs minéraux devant être incorporés au produit de base pour permettre de régler d'une part la température de fusion des cendres, et d'autre part la corrosivité et nocivité des vapeurs produites après combustion. Ces additifs minéraux doivent bien entendu être choisis dans deux familles d'additifs connues en elles-mêmes, à savoir les additifs de nature à agir sur la température de fusion des cendres et les additifs de nature à agir sur la corrosivité et nocivité des fumées. Un exemple de formulation de granulés obtenue à l'issue de cette étape de réglage et d'optimisation effectuée par analyse du tableau récapitulatif préalablement établi est mentionné en annexe II. Cette étape est suivie d'une étape d'optimisation du processus de granulation du mélange produit de base/noyau minéral, c'est-à-dire du taux de compaction de ce mélange. Selon l'invention, la maîtrise du processus de granulation 25 des agrocombustibles et de la porosité des granulés finalement obtenus correspond à un impératif essentiel. En effet, une porosité trop importante entraîne l'obtention de granulés combustibles faciles à pyrolyser mais ayant une résistance mécanique insuffisante, donc difficiles à transporter et mal adaptés aux 30 contraintes d'alimentation des chaudières. Au contraire, une porosité trop faible entraîne une bonne tenue mécanique, mais l'impossibilité de pyrolyser rapidement les granulés, donc d'obtenir une combustion satisfaisante. Il est donc nécessaire d'optimiser le processus de granula-35 tion pour permettre d'obtenir des granulés combustibles ayant une porosité prédéfinie. 8 La dernière étape du procédé conforme à l'invention consiste ensuite à effectuer des essais de combustion en vraie grandeur des granulés pour effectuer un contrôle : - du pouvoir calorifique, - du taux de cendres effectif, - de la température de fusion des cendres, et - de l'émission de vapeurs corrosives ou nocives. lo ANNEXE I : CAHIER DES CHARGES Type Analyse Unité Méthode d'Analyse Valeurs Valeurs Causes Cibles Cibles Matières Produit fini ,_ Physico- Physique ." Nasse vntertiiqus kglm3 Nitémalilre >300 >650 Transports W chimie % Durabilimetre SABE o ô, - E Cronuidmetrie (sortie oracessj- 15000 >16000 Pouvoir Calorifique >17000 >17000 Pouvoir Calo tique Humidité - ( % xP-CENITS 14780 >15 >11 - Pouvoir Calorifique MV XP-CENITS 14775 Cendres >7 1000 Tfowinq point Chimie Analyse Carbone % XP-CENITS 15104 Peu de variations selon les biomasses matières élémentaire Hedrenene mglkg premières XP-CENITS 15104 I Peu de variations selon les biomasses - - XP-CENITS 15104 1000 -0300 Émissions S02+ Corrosion (40 à 90% du S reste dans les cendres+ le reste en S02) XP-CENITS 15289 --0300-0700 Corrosion émissioes XP-CENITS 15289 »2 »2 Rapport de sécurité Composées .. . .. mg/kg -0100 -0700 Fusion des cendres (--) _. _ -- - " NF EN IS011865 Corrosion Fusion des cendres(--) (K+Si Silicates à Tiusionfaib{e) NF EN 150 11885 Emssions+fusion des cendres (-4 Corrosion NF EN ISO 11885 Fusion des cendres (+++) % NF EN 9011885 Fusion des cendres (+++) Inorganiques r' ~'° - - m /kg NF EN ISO 11885 Aluminium g Fer __- Titane._ _. Bore a- Manganese NF EN SO 17685 NF EN ISO 11885 NF EN 150 31885 NF EN ISO 11885 Meaux Plomb me, NF EN SO 11885 >10 Polieti on ML Lourds Arsenic Cadmium _Mercure _____ _~_ Cuivre Nickel Zinc __o__ Chrome NF EN {SO 11969 60 NF EN ISO 11885 2,5% Fusion des cendres XP-CENITS15290 REVENDICATIONS1 °) Procédé de formulation permettant d'obtenir à partir de la biomasse des granulés combustibles qui satisfont à un cahier des charges prédéfini caractérisé par la mise en oeuvre des étapes suivantes : recensement des matières premières végétales c'est-à-dire des éventuel-les sources de biomasse localement disponibles de façon à sélectionner des composants candidats susceptibles d'être utilisés pour la fabrication de granulés combustibles, analyse chimique et thermochimique des composants candidats ainsi sélectionnés, étude des caractéristiques physiques des composants candidats, établissement d'un tableau récapitulatif des caractéristiques chimiques, thermochimiques et physiques des composants candidats, sélection à partir du tableau récapitulatif et parmi les composants can- didats d'un produit de base renfermant un ou en règle générale au moins deux composant(s) de base susceptible(s) d'être mélangé(s) pour permettre d'obtenir, après granulation, des granulés combustibles qui satisfont au cahier des charges prédéfini, réglage et optimisation par analyse du tableau récapitulatif préalable- ment établi de la température de fusion des cendres et de la corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion de ce produit de base par ajout d'un mélange ou noyau d'additifs minéraux, optimisation du processus de granulation du mélange produit de base/noyau minéral, et essais de contrôle par combustion en vraie grandeur. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'étape d'analyse chimique et thermochimique des composants candidats, on détermine la composition de ces composants ainsi que leur pouvoir calorifique, leur taux de cendres et de matières volatiles et leur taux d'humidité. 3°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lors de l'étape d'étude des caractéristiques physiques des composants candidats - on examine la granulométrie de ces composants à l'état brut, 12 - on étudie la densité de ces composants, et - on analyse leur faculté de granulation. 4°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors de l'étape de réglage et d'optimisation de la température de fusion des cendres et de la corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion du produit de base, on augmente la température de fusion des cendres jusqu'à une température d'environ 1 000 °C par apport d'additifs minéraux, notamment de calcium. 5°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lors de l'étape de réglage et d'optimisation de la température de fusion des cendres et de la corrosivité et nocivité des fumées obtenues après combustion du produit de base, on ajoute à ce produit un additif minéral de nature à neutraliser le chlore et réduire l'acidité, tel que le sodium.20