Brevet FR2954477A1 — publié le 20110624

PROCEDE CONTINU DE SECHAGE IRREVERSIBLE DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE PAR DEPOLYMERISATION THERMIQUE L'invention se rattache au secteur technique du traitement de la biomasse dans le cadre des énergies renouvelables en vue de sa valorisation. En ce début de XXIe siècle, le développement durable semble la seule 10 voie possible pour la conservation de la planète et la réparation des méfaits provoqués par le développement débridé de la seconde moitié du XXe siècle. C'est pour cela que la valorisation énergétique de la biomasse est actuellement largement étudiée, afin de trouver les moyens de remplacer le plus rapidement possible les énergies fossiles par des énergies renouvelables, 15 diminuant ainsi notre dépendance vis-à-vis du charbon et des produits pétroliers, ce qui aura pour conséquence de réduire l'empreinte CO2 lors de la production d'électricité, de ciment, de chaux ou même d'acier et d'élargir la voie vers le développement durable. 20 Parmi ces solutions, des études ont été développées pour la valorisation énergétique de la biomasse. Le Demandeur a lui-même participé à cet effort de recherche et a notamment développé différents procédés pour le recyclage des bois traités, 25 la distillation de produits solides organiques, la fabrication de charbon végétal inorganique à haute teneur en carbone, la fabrication de poudre de carbone. Ces différentes études et développements ont abouti notamment par les brevets FR 2734741, PCT FR 2006/050471, WO 2008/116993, WO 2007/006990. 30 Ces différents procédés ont fait l'objet d'expérimentation et d'exploitation qui s'avèrent très satisfaisants et répondant à la problématique initiale rappelée ci-avant, en permettant notamment la valorisation de certains solides organiques en vue de la conception de produits notamment de combustion. Plus particulièrement, dans le brevet PCT FR 2006/050471, le procédé de distillation avait pour but d'évacuer toutes les matières organiques en conservant exclusivement la matière minérale. Cette matière minérale pouvant par la suite être utilisée comme combustible pour alimenter un gazéifieur.. La démarche du Demandeur a été dans le cadre de ses recherches de concevoir et d'obtenir des produits finaux combustibles exempts d'eau mais gardant toute leur matière organique pour améliorer encore la qualité des produits, en s'affranchissant des problèmes de fermentation, d'apparitions de produits de fermentation type champignons, moisissures, et en s'affranchissant également de l'environnement climatique lors du stockage des produits. C'est pourquoi Thermya a développé et mis au point un procédé pour la production, à partir de biomasse non-comestible, d'un combustible à haut rendement énergétique, stable, sec et hydrophobe, permettant un stockage de longue durée, sans risques de dégradation biologique. D'autre part, ce procédé thermique, facilite le broyage et la compression de la biomasse, tout en augmentant la qualité de sa combustion. La solution apportée par le Demandeur à travers un nouveau procédé répond à ces objectifs, et les produits obtenus par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention apparaissent dans un état de séchage irréversible permettant leur utilisation ensuite dans des conditions optimums de combustion à l'abri de contraintes extérieures. Selon une première caractéristique de l'invention le procédé de production à partir de biomasse non alimentaire d'un combustible est caractérisé en ce que on procède à l'introduction de biomasse dans une colonne de séchage, et déplacement de la biomasse de haut en bas de la colonne en suivant des phases selon trois zones successives de séchage, puis de distillation et de dépolymérisation thermique, cette dernière s'effectuant à une température inférieure à 250° C permettant l'élimination de l'eau de la biomasse de façon irréversible et une transformation d'une partie de la matière organique, et en ce que le traitement thermique s'effectue selon un processus continu mettant en oeuvre deux flux circulants à contre-courant dans la colonne de séchage et de dépolymérisation thermique, d'une part, un flux gazeux progressant de bas en haut, d'autre part un flux de matières solides résultant de la biomasse qui progresse de haut en bas et en ce que la zone de dépolymérisation thermique se situe en bas de la colonne de séchage ou au niveau d'une grille inférieure située dans la colonne et en ce que le procédé de dépolymérisation entraîne le changement de la structure moléculaire de la biomasse par une évacuation totale de l'eau, les produits obtenus étant dans un état de structure irréversible, sec et hydrophobe . Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention, illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins :25 La Figure 1 est une vue à caractère schématique illustrant la colonne de séchage irréversible de la biomasse non alimentaire selon le procédé de l'invention. La Figure 2 est une vue à caractère schématique de l'installation mettant en oeuvre le procédé. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustré aux figures des dessins. Le Demandeur a développé et mis au point un procédé pour la production à partir de biomasse non alimentaire d'un combustible à haut rendement énergétique stable, sec, et hydrophobe permettant un stockage de longue durée sans risque de dégradation biologique. Le procédé selon l'invention permet d'autre part de faciliter le broyage et la compression de la biomasse tout en augmentant la qualité de sa combustion. Le procédé de l'invention a pour objet de traiter la biomasse non alimentaire en continu par dépolymérisation thermique selon un séchage entraînant l'irréversibilité de la biomasse dans sa structure en lui donnant les caractéristiques de produits obtenus à l'état sec, hydrophobe, permettant un stockage de longue durée sans risque de dégradation biologique soit par l'environnement naturel, soit par l'apparition de moisissures. En d'autres termes, le procédé selon l'invention entraîne le changement de la structure moléculaire de la biomasse par une évacuation totale de l'eau et un affaiblissement de la structure pariétale par dépolymérisation et lègère dévolatilisation.. Les produits obtenus sont dans un état irréversible et ne peuvent être modifiés ensuite dans leur structure et composition. Le procédé de production à partir de biomasse non alimentaire d'un combustible à haut rendement énergétique est remarquable en ce qu'on procède à l'introduction de biomasse dans une colonne de séchage, et déplacement de la biomasse de haut en bas de la colonne en suivant des phases selon trois zones successives de séchage, puis de distillation et puis de dépolymérisation thermique, cette dernière s'effectuant à une température inférieure à 250° C permettant l'élimination de l'eau de la biomasse de façon irréversible et une transformation d'une partie de la matière organique, et en ce que le traitement thermique s'effectue selon un processus continu mettant en oeuvre deux flux circulants à contre-courant dans la colonne de séchage et de dépolymérisation thermique, d'une part, un flux gazeux progressant de bas en haut, d'autre part un flux de matières solides résultant de la biomasse qui progresse de haut en bas. La zone de dépolymérisation thermique se situe en bas de la colonne de séchage ou au niveau supérieur d'une grille inférieure située dans la colonne et agencée pour permettre l'entrée de gaz chauds neutres et d'autre part l'extraction des produits obtenus à l'état solide séché et hydrophobe. Plus particulièrement, la dépolymérisation thermique permet que chaque particule de biomasse soit intégralement chauffée de sorte qu'elle acquiert une température uniforme de la surface jusqu'au coeur. Dans l'exemple d'une biomasse lignocellulosique (exemple : bois ...) constitué d'hémicellulose, de cellulose, de lignine, et de matières organiques et minérales (généralement inférieures à 3%). Lors de la polymérisation thermique, la structure moléculaire de la biomasse est modifiée ce qui provoque un changement de ses propriétés. La dépolymérisation uniforme de la biomasse libère l'eau et évapore des matières organiques volatiles (COV) par décomposition de l'hémicellulose et des extraits. La température des gaz d'injection correspond à la température finale du traitement thermique, de dépolymérisation, qui varie suivant le type de biomasse lignocellulosique à traiter. A cette température, la lignine subit une modification mineure tandis que la cellulose n'est pas attaquée par la chaleur. Comme l'hémicellulose joue un rôle fondamental dans le maintien d'une architecture pariétale organisée en liant les fibrilles de cellulose entre elles, sa dépolymérisation et sa devolatilisation partielle fragilise l'édifice. De plus, l'hémicellulose étant un polymère amorphe présentant une grande capacité d'absorption d'humidité, sa dégradation permet l'élimination de l'eau et surtout rend le bois hydrophobe. Ainsi, une fois évaporée, l'eau ne peut plus être réabsorbée par le bois. Ainsi, le procédé selon l'invention permet la conversion rapide et continue de la biomasse non alimentaire à l'état humide, en biomasse sèche, hydrophobe, facilement broyable et densifiable et ne permettant pas la réabsorption d'humidité. En se référant à la Figure 1, le gradient de température est maintenu dans la colonne remplie de biomasse non alimentaire. Les températures les plus hautes, inférieures à 250° C, se situent en bas de la colonne au niveau de la grille en relation avec la zone de dépolymérisation. Les températures les plus basses, inférieures à 60° C, se situent en haut de la colonne, à la sortie des gaz. Le tiers supérieur de la colonne référencé par 4.1 et correspondant à la zone de séchage est maintenu à des températures de biomasse inférieures à 70° C joue le rôle de filtration des gaz vis-à-vis des premiers organiques volatiles extraits de la biomasse. La zone 2 relative à la distillation est établie à une température progressive de 100° C à 240° C en permettant l'évacuation d'organiques légers. La zone 3, inscrite dans la zone 2, est celle relative à la dépolymérisation en bas de colonne entre 200° C et 240° C. Lorsqu'une particule de biomasse progresse du haut vers le bas de la colonne, elle rencontre progressivement des gaz neutres vis-à-vis de l'oxygène et dont la température est de plus en plus élevée. Sa température augmente de façon homogène de sa surface à son coeur. Lors de la progression vers le bas, la particule de biomasse perd progressivement son eau puis les hémicelluloses subissent une dépolymérisation et une légère dévolatisation entraînant l'expulsion des substances organiques dans le flux gazeux. Cela se poursuit jusqu'à ce que la particule atteigne la grille en bas de colonne. Les particules extraites de la colonne ont subi un traitement thermique qui a permis leur séchage poussé puis une dépolymérisation et une légère dévolatisation conférant aux particules un comportement hydrophobe et une grande fragilité de la structure pariétale de la biomasse. Le flux gazeux en sortie de colonne entre dans le cadre de l'installation illustrée Figure 2 avec une phase de recyclage en circuit fermé. On a représenté Figure 2 la colonne par 4, la chambre d'injection de gaz et de récupération de la biomasse par 2, la grille par 3, les ventilateurs par 1 et 7, le sécheur de gaz par 5, la chambre thermique de combustion par 6, le traitement des gaz de sortie par 8. Des vannes sont identifiées A, B, C, D. Cette installation est de type connu en elle-même. Les caractéristiques et l'originalité de l'invention se rapporte ainsi aux points suivants et à la combinaison de leurs effets, permettant d'obtenir des produits de combustion à haute performance énergétique et qui ne soient pas soumis aux contraintes extérieures et biologiques en conservant d'une manière irréversible le nouvel état de structure obtenu par le procédé :30 - Séchage irréversible (humidité résiduelle Le procédé selon l'invention trouve de très nombreuses applications et constitue un avancement majeur dans le domaine des énergies renouvelables.25 REVENDICATIONS1. Procédé de production à partir de biomasse non alimentaire d'un combustible caractérisé en ce que on procède à l'introduction de biomasse dans une colonne de séchage, et déplacement de la biomasse de haut en bas de la colonne en suivant des phases selon trois zones successives de séchage, puis de distillation et puis de dépolymérisation thermique, cette dernière s'effectuant à une température inférieure à 250° C permettant l'élimination de l'eau de la biomasse de façon irréversible et une transformation d'une partie de la matière organique, et en ce que le traitement thermique s'effectue selon un processus continu mettant en oeuvre deux flux circulants à contre-courant dans la colonne de séchage et de dépolymérisation thermique, d'une part, un flux gazeux progressant de bas en haut, d'autre part un flux de matières solides résultant de la biomasse qui progresse de haut en bas et en ce que la zone de dépolymérisation thermique se situe en bas de la colonne de séchage ou au niveau supérieur d'une grille inférieure située dans la colonne et en ce que le procédé de dépolymérisation entraîne le changement de la structure moléculaire de la biomasse par une évacuation totale de l'eau, les produits obtenus étant dans un état de structure irréversible, sec et hydrophobe et ne pouvant être modifiés dans leur structure et composition. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gradient de température est maintenu dans la colonne remplie de biomasse non alimentaire, en ce que les températures les plus hautes, inférieures à 250° C, se situent en bas de la colonne au niveau de la grille en relation avec la zone de dépolymérisation, en ce que les températures les plus basses, inférieures à 60° C, se situent en haut de la colonne, à la sortie des gaz, en ce que le tiers supérieur de la colonne et correspondant à la zone de séchage est maintenu à des températures de biomasse inférieures à 70° C joue le rôle de filtration des gaz vis-à-vis des premiers organiques volatiles extraits de la biomasse, et en ce que la zone relative à la distillation est établie à une température progressive de 100° C à 240° C en permettant l'évacuation d'organiques légers, et en ce que la zone relative à la dépolymérisation en bas de colonne entre 200° C et 240° C. 3. Produits de combustion à haute valeur énergétique mis en oeuvre selon le procédé des revendications 1 et 2 présentant un état de structure irréversible, sec et hydrophobe.