Brevet FR3037075A1 — publié le 20161209

DOMAINE DE L'INVENTION Le contexte de la présente invention est la production de biocarburant de 2ème génération (bio5 diesel de synthèse) par voie thermochimique également appelée chaine « BtL », acronyme de l'expression anglo saxonne Biomass To Liquid. Une chaine de production BtL peut se décrire succinctement de la façon suivante : Dans une première étape, un prétraitement de la biomasse lignocellulosique permet de réduire la charge à l'état d'une poudre finement broyée (entre 50 et 200p.m) et facilement fluidisable 10 de manière à permettre le transport pneumatique et l'injection de la charge biomasse dans une unité de gazéification à flux entrainé dont les conditions de fonctionnement sont typiquement une pression P comprise entre 2 et 4,5 MPa (20 et 45 bar) et une température T comprise entre 1200°C et 1600°C. Dans une seconde étape de gazéification, la matière carbonée est oxydée partiellement en 15 présence d'oxygène et de vapeur d'eau dans l'unité de gazéification ou gazéifieur. L'effluent réactionnel de l'unité de gazéification est un mélange de CO et H2 dit « gaz de synthèse » ou « syngas », qui passe ensuite par une troisième étape de réaction de conversion dite « water-gas shift » pour équilibrer le ratio CO/H2 aux spécifications nécessaires. Le syngas est ensuite purifié avant d'être transformé en chaines paraffiniques longues par la 20 réaction catalytique de Fischer-Tropsch. Une hydro-isomérisation des cires permet enfin l'obtention des chaines C13-C25 de la coupe gazole. La présente invention concerne la première étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique située en amont de l'étape de gazéification. L'unité de gazéification ayant besoin d'être finement régulée et alimentée avec un débit de 25 charge solide homogène, le prétraitement de la biomasse est une phase indispensable pour permettre le bon fonctionnement des étapes ultérieures de la chaine BtL. Le prétraitement de la biomasse décrit dans la présente invention convient donc particulièrement à l'alimentation d'un gazéifieur à lit entrainé, c'est-à-dire d'un gazéifieur destiné à la production de « syngas ». 30 Néanmoins, le prétraitement décrit peut également s'appliquer à l'alimentation d'un gazéifieur selon d'autres technologies, telles que le lit fluidisé ou le lit mobile, qui aboutissent à la production d'un gaz de synthèse plus ou moins riche en méthane. Dans ce dernier cas l'étape finale de broyage (F) pourrait ne pas être nécessaire, au moins dans certains cas. 35 3037075 2 EXAMEN DE L'ART ANTERIEUR La charge biomasse ou matière première ligno-cellulosique est le plus souvent disponible sous forme de plaquettes forestières ou de copeaux de bois qui ont généralement la forme de parallélépipèdes de dimensions typiques 50 x 30 x 5 mm. La paille ou d'autres résidus herbacés peuvent aussi servir de charge à la chaine BtL, le plus souvent sous la forme de boulettes ou d'extrudés. La charge, après une phase de séchage, est torréfiée, la torréfaction étant un traitement thermique entre 200°C et 300°C en atmosphère non-oxydante qui dégrade majoritairement les hémicelluloses ainsi qu'une fraction de la cellulose et de la lignine. Ce prétraitement fragilise les fibres et facilite le broyage ultérieur de manière à obtenir une poudre ayant de meilleures propriétés de transport pneumatique. Une phase de densification du produit torréfié peut être nécessaire dans le cas d'une configuration décentralisée (la préparation de la charge et la gazéification se trouvant dans des sites différents), de manière à densifier la charge pendant le transport. L'étape de torréfaction présente les inconvénients suivants : Elle génère une perte de masse importante, ce qui diminue notablement le rendement matière de la chaine complète. Cette perte de masse peut varier entre 15 et 40 % selon la sévérité du traitement. Actuellement, une perte de masse de 30% est considérée comme nécessaire pour l'obtention d'une charge aux spécifications. On pourra trouver une référence complète sur ce point dans l'article suivant: « BioTfueL Project: Targeting the Development of Second-Generation Biodiesel and Biojet Fuels » de J.- C. Viguié, N. Ullrich, P. Porot, L. Bournay, M. Hecquet and J. Rousseau paru dans Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP Energies nouvelles, Vol. 68 (2013), No. 5, dont on peut traduire le titre par « Objectifs de développement des carburants biodiesel et bio-jet fuel de seconde génération ». Il n'existe pas actuellement de procédé de torréfaction commercial. Les technologies existantes de torréfaction ne permettent pas de très fortes capacités, et sont limitées à environ 10 TMS/h, exprimé en tonne de matière sèche (MS) par heure. Or la capacité d'une chaine BtL industrielle est de l'ordre de 100 TMS/h. Ce décalage d'un facteur 10 est particulièrement pénalisant pour le bilan économique de la chaine dans le cas d'une configuration centralisée. Dans ce cas en effet, il serait nécessaire de 3037075 3 multiplier par 10 le nombre de lignes de torréfaction, avec un impact très important sur le coût d'investissement total. D'autre part, la contrainte essentielle de la phase de prétraitement est l'obtention d'une poudre 5 fine (d'environ 100 p.m) avec des particules peu fibreuses (ratio largeur sur longueur proche de 1), de manière à faciliter sa coulabilité et son transport pneumatique en phase dense. Dans l'état actuel des développements, la torréfaction permet d'obtenir de meilleures propriétés que celles des poudres non traitées, mais ne résout pas complètement la problématique de transport des poudres. 10 L'objet de la présente invention est de décrire un autre type de prétraitement par explosion acide à la vapeur et séchage, qui ne présente pas ces inconvénients et permet notamment d'atteindre plus facilement des capacités voisines de celles de la chaine BtL aval. Parmi les documents de l'art antérieur on peut citer : 15 Le brevet US 2013/0248760 concerne un produit (composition de biomasse) sous forme de particules de taille D REVENDICATIONS1-Procédé de prétraitement d'une charge biomasse lignocellulosique destinée à alimenter un gazéifieur, la charge étant disponible sous forme de plaquettes forestières ou de copeaux de bois ou de paille, de dimensions comprises entre 20 et 500 mm, et préférentiellement comprises entre 40 et 150 mm, et ledit procédé comprenant la suite d'étapes suivantes : A)-une étape d'imprégnation de la charge biomasse au moyen d'un acide organique ou minéral, l'acide utilisé étant dilué dans une solution aqueuse, ladite étape étant réalisée dans les conditions suivantes: - température comprise entre 20°C et 99°C, préférentiellement entre 60°C et 90°C, - concentration en acide dans la solution aqueuse entre 0,01% poids et 8% poids, et préférentiellement entre 0,02% poids et 3% poids, - temps de contactage entre la biomasse et la solution acide de quelques secondes à 24 heures, de préférences moins de 12 heures, et encore plus préférentiellement moins de 2 heures, B)-une étape facultative de séparation liquide/solide de l'effluent issu de l'étape (A) permettant de libérer une matière solide avec une teneur en matière sèche (MS) supérieure à 15%, et préférentiellement supérieure à 40% poids, C)- une étape d'explosion à la vapeur de l'effluent issu de l'étape (A) ou de la matière solide issue de l'étape (B) consistant en une injection de vapeur sous pression suivie d'une détente rapide permettant de déstructurer la matrice lignocellulosique, les conditions opératoires étant les suivantes : - pression comprise entre 1 et 5 MPa (10 et 50 bars), - température comprise entre 150°C et 250°C, préférentiellement comprise entre 160°C et 200°C, - durée comprise entre 2 minutes et 20 minutes, préférentiellement comprise entre 2 et 10 minutes, - quantité de vapeur sur biomasse (en tonne de vapeur/tonne de MS de biomasse) comprise entre 0,5 et 3, et préférentiellement comprise entre 0,6 etl, - FSAC compris entre 1 et 17000, de manière préférée compris entre 4 et 5000, et de manière encore plus préférée entre 9 et 500, - en présence d'acide sulfurique à une concentration dans la solution aqueuse comprise entre 0,01% poids et 8% poids, et préférentiellement entre 0,02% poids et 3% poids. D)- une étape de séparation gaz-solide située immédiatement en aval de l'étape d'explosion à la vapeur, permettant d'augmenter la fraction solide de l'effluent solide issu de l'étape 3037075 20 d'explosion à la vapeur, ladite fraction solide étant comprise entre 15% poids et 60% poids, et préférentiellement comprise entre 30% poids et 50% poids, E)-une étape de séchage de la fraction solide issue de l'étape de séparation (D) réalisée dans les conditions suivantes : 5 - température inférieure à 120°C, le produit en sortie de la phase de séchage ayant une teneur en eau inférieure à 20% poids, et préférentiellement comprise entre 5% poids et 10% poids, F)-une étape facultative de densification du produit solide issu de l'étape (E) qui aboutit à la constitution de granulés pouvant être stockés ou transportés, et nécessite alors une étape 10 ultérieure de broyage, G)- une étape de broyage de la phase solide séchée issue de l'étape (E) ou des granulés issus de l'étape (F) lorsqu'elle existe, permettant de délivrer des particules solides ayant un diamètre compris entre 50 et 200 microns, et préférentiellement compris entre 70 et 150 microns. 15 2) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon la revendication 1, dans lequel une étape Dl de lavage/neutralisation est placée en aval de l'étape de séparation (D) et en amont de l'étape de séchage (E), et permet de produire : - une phase liquide dite jus de C5, contenant au moins 70% poids de sucres solubles 20 initialement présents dans le substrat en sortie de l'étape (C) d'explosion à la vapeur, préférentiellement plus de 80% et de manière encore préférée plus de 85% de sucres solubles (monomères et oligomères), et - une phase solide contenant entre 15% et 50% poids de fraction solide, et de préférence entre 20% et 45% poids de ladite fraction solide, et qui rejoint la suite des étapes (E), (F) et (G). 25 3) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon la revendication 2, dans lequel les sucres monomères ou oligomères contenus dans la phase liquide dite jus de C5, sont utilisés pour la production d'alcool ou de solvant par fermentation. 30 4) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon la revendication 2, dans lequel les sucres monomères ou oligomères contenus dans la phase liquide dite jus de C5, sont utilisés comme substrat alimentaire en vue de produire des microorganismes de type champignons ou levures. 35 5) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon la revendication 2, dans lequel les sucres monomères ou oligomères contenus dans la phase liquide dite jus de C5, sont utilisés comme matière première pour des transformations chimiques. 3037075 21 6) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon la revendication 2, dans lequel la concentration de sucres monomères dans le jus de C5 est supérieure à 40g/litre et préférentiellement supérieur à 50 g/litre. 5 7) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon les revendications 1 à 6, dans lequel l'acide utilisé lors de l'étape A) est l'acide sulfurique. 8) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon les revendications 1 à 7, dans lequel l'étape de séparation gaz solide D) est de type cyclonique. 10 9) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon les revendications 2 à 8, dans lequel le liquide de lavage utilisé dans l'étape Dl) contient plus de 95 % d'eau. 10) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 9, dans lequel les particules solides issues de l'étape G sont introduites dans un gazéifieur situé en aval dudit procédé de préparation de biomasse, ledit gazéifieur étant de type lit entrainé conduisant à un effluent de type gaz de synthèse. 11) Procédé de prétraitement d'une charge biomasse selon l'une quelconque des 20 revendications 1 à 9, dans lequel les particules solides issues de l'étape G sont introduites dans un gazéifieur situé en aval dudit procédé de préparation de biomasse, ledit gazéifieur étant de type lit entrainé permettant la production de carburants de synthèse selon la chaine de production de carburants (BtL). 25