Brevet FR3061193A1 — publié le 20180629

DISPOSITIF DE LIOUEFACTION HYDROTHERMALE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de liquéfaction hydrothermale de la biomasse. La configuration de ce dispositif permet d'optimiser la mise en condition de liquéfaction hydrothermale de la biomasse en combinant un moyen de chauffe et un moyen de mise sous pression. Le domaine d'utilisation de la présente invention concerne la valorisation de la biomasse, notamment pour former des molécules organiques d'intérêt, par exemple des précurseurs d'hydrocarbures. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE La valorisation de matières organiques présente un intérêt particulier, notamment au regard de l'accumulation de déchets organiques, du coût ou de la raréfaction des ressources énergétiques d'origine minérale, ou pour des raisons environnementales. De nombreux acteurs ont développé divers procédés permettant de valoriser des résidus organiques issus de l'industrie agro-alimentaire, du milieu agricole, de l'industrie papetière, des boues de station d'épuration, des micro-algues ou des macroalgues. Ces résidus, également appelés bio-ressources ou biomasse, comprennent généralement une quantité importante d'eau. C'est la raison pour laquelle, ils sont particulièrement adaptés pour être traités par des procédés hydrothermaux mettant à profit les propriétés de l'eau dans des conditions sous-critiques ou supercritiques, le point critique de l'eau correspondant à de l'eau à 374°C sous une pression de 22,1 MPa. Par exemple, dans des conditions de température et de pression inférieures à 374°C et 22,1 MPa, l'eau est à la fois le solvant de réaction et un réactif, il est possible de former, à partir de matière organique, un biocrude combustible (sorte de pétrole vert) et des molécules d'intérêt pour la synthèse chimique. 3061193 2 Cependant, lorsque la température de réaction est inférieure à 250°C, des réactions secondaires entrainent la formation de bio-char (charbon), par un procédé dit de carbonisation hydrothermale. 5 Ainsi, dans les procédés de traitement de la biomasse, il est important de ne pas laisser cette dernière à une température de l'ordre de 200°C pendant une période de temps trop prolongée. Cependant, les procédés de l'art antérieur nécessitent un temps de chauffe relativement 10 long avant d'initier la valorisation de la biomasse, notamment par liquéfaction hydrothermale. Une solution consiste à injecter la biomasse, préalablement mise sous pression à froid, dans un réacteur préchauffé. Cependant, ce type de dispositif nécessite une zone de 15 transition, avec de manière générale, des problèmes de sédimentation, et donc d'obstruction, dans les canalisations ou dans le corps de la pompe d'injection lorsque la biomasse comprend des particules ou présente une viscosité importante. La présente invention permet de remédier aux problèmes de l'art antérieur en termes 20 de réactions secondaires lors du chauffage de la biomasse, ou de sédimentation dans les canalisations ou dans la pompe d'injection. EXPOSE DE L'INVENTION 25 La présente invention concerne un dispositif permettant de valoriser la biomasse dans le but de produire une phase organique appelée « biocrude » à partir de résidus agroalimentaires ; de biocarburants à partir de micro-algues ; de molécules d'intérêt, par exemple des phénols et des polyphénols, à partir de liqueur noire ou de lignine ; ou de bitume « vert ». 30 Le Demandeur a mis au point un dispositif permettant de : - limiter la durée de séjour de la composition de biomasse dans une zone ayant une température inférieure à 250°C, - limiter les distances de transfert de la composition de biomasse avant son entrée 35 dans le réacteur de liquéfaction hydrothermale, et ainsi limiter les phénomènes de sédimentation, d'accumulation et de bouchages dans les circuits d'alimentation, 3061193 3 - sortir rapidement, à chaud, les produits résultant de la liquéfaction hydrothermale de la biomasse, - limiter les phénomènes de bouchage lors de l'évacuation des produits. 5 Ce dispositif permet de résoudre ces problèmes grâce à la présence d'une zone de chauffe et de compression. Ainsi, contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, il ne s'agit pas d'un réacteur de type autoclave, dans lequel la biomasse arrive après avoir été chauffée à au moins 200°C. 10 Ce dispositif intègre les fonctions de compression et de chauffe permettant le traitement de compositions hétérogènes et la mise en condition de réaction (température + pression) rapide. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de liquéfaction 15 hydrothermale d'une composition à base de biomasse, comprenant : - une enceinte définissant un volume VE, comprenant trois zones successives Z1, Z2 et Z3 : la zone Z1 étant munie d'une entrée Ezi d'une composition à base de biomasse, et étant à une température Tzi et à une pression Pzi, 20 la zone Z2 correspondant à une zone de réaction par liquéfaction hydrothermale de la biomasse à une température Tz2 et à une pression Pz2, la zone Z3 étant munie d'une sortie Sz3 des produits issus de la réaction par liquéfaction hydrothermale de la biomasse, et étant à une température Tz3 et à une pression Pz3, 25 - deux pistons P1 et P2, coulissant indépendamment l'un de l'autre entre les zones Z1, Z2 et Z3 de manière à amener la composition à base de biomasse de la zone Z1 vers la zone Z3, les pistons P1 et P2 étant susceptibles d'être espacés l'un de l'autre de manière à définir un volume VP variable et inférieur à VE, - un moyen de chauffe externe de la zone Z2, 30 - des moyens d'activation des pistons P1 et P2 permettant de faire varier le volume vP Ainsi, ce dispositif comprend une enceinte ayant trois zones consécutives, Z1, puis Z2, puis Z3, ayant chacune, indépendamment l'une de l'autre, sa température et sa 35 pression. 3061193 4 Le volume VE de l'enceinte est avantageusement compris entre 50 et 150 cm3, plus avantageusement entre 67 et 90 cm3. L'enceinte est avantageusement de forme cylindrique, plus avantageusement un 5 cylindre circulaire droit. Aussi, l'enceinte présente une longueur avantageusement comprise entre 60 et 210 cm, plus avantageusement entre 90 et 180 cm. 10 Dans le cas d'un cylindre circulaire droit, elle présente un diamètre avantageusement compris entre 1 et 3 cm, plus avantageusement entre 1,5 et 2,5 cm. L'enceinte présente une épaisseur compatible avec les conditions de fonctionnement (pression et température), avantageusement entre 1 et 3 cm. 15 En outre, l'enceinte et les pistons peuvent être réalisés en un matériau tel que l'acier inoxydable austénitique. De manière avantageuse, les zones Z1, Z2 et Z3 présentent un volume identique, 20 correspondant à un tiers du volume VE. Néanmoins, les zones Z1, Z2 et Z3 peuvent avoir des sections distinctes et/ou des longueurs distinctes. En outre, le dispositif peut présenter différentes épaisseurs sur sa longueur, dans la direction Z1 vers Z3. 25 Dans l'enceinte, le mouvement des pistons P1 et P2 permet de créer un volume VP défini par l'espacement entre les pistons P1 et P2 dans l'enceinte, le volume VP étant inférieur à VE. 30 Les pistons P1 et P2 sont indépendants et peuvent ainsi être actionnés séparément, à des vitesses de déplacement distinctes. En effet, ils peuvent se déplacer simultanément, mais pas nécessairement dans la même direction ni sur la même distance. De manière générale, l'introduction de biomasse écarte les pistons P1 et P2, générant 35 ainsi le volume VP occupé par la biomasse. 3061193 5 Comme déjà indiqué, les pistons permettent de transférer la biomasse entre les zones Z1, Z2 et Z3. Ils sont actionnables indépendamment l'un de l'autre, de manière à pouvoir : - augmenter le volume VP dans la zone Z1 ou réduire le volume VP dans la zone Z2 5 et ainsi augmenter la pression de la composition de biomasse dans la zone Z2 ou - évacuer les produits de liquéfaction hydrothermale dans la zone Z3. Dans la zone Z1, l'entrée Ezi est avantageusement munie d'une vanne d'alimentation de la composition à base de biomasse. Cette vanne permet de réguler l'entrée de la 10 composition de biomasse. Dans la zone Z2, le moyen de chauffe externe permet de chauffer la composition de biomasse. Il s'agit généralement d'un moyen de chauffe par conduction thermique de la surface extérieure de l'enceinte au niveau de la zone Z2. Un gradient de température 15 peut être relevé entre l'extérieur et l'intérieur de la zone Z2. Aussi, des capteurs thermiques peuvent être intégrés dans la zone Z2, mais également dans les zones Z1 et/ou Z3. De manière générale, seule la zone Z2 comprend un ou plusieurs moyens de chauffe, 20 les zones Z1 et Z3 en étant avantageusement dépourvues. Comme déjà mentionné, l'actionnement des pistons P1 et P2 permet la mise sous pression de la composition de biomasse dans la zone Z2. Les moyens d'actionnement correspondent à tout moyen connu de l'homme du métier, par exemple des vérins 25 hydrauliques. Selon un mode de réalisation particulier, la zone Z2 peut être divisée en sous-zones ayant différentes températures Tz2, avantageusement deux sous-zones. Ainsi, dans ce cas, le dispositif selon l'invention peut comprendre plusieurs moyens externes de 30 chauffe régulant la température de ces sous-zones. Ce dispositif permet de réaliser un chauffage par pallier de la composition de biomasse. Dans la zone Z3, la sortie 5z2 est avantageusement munie d'une vanne d'évacuation des produits issus de la réaction par liquéfaction hydrothermale de la biomasse. Ces 35 produits sont généralement évacués par actionnement des pistons P1 et P2 de manière à réduire le volume VP. 3061193 6 La présente invention concerne également un procédé de liquéfaction hydrothermale d'une composition à base de biomasse, au moyen de ce dispositif Ce procédé comprend les étapes suivantes : - introduction d'une composition à base de biomasse dans la zone Z1, dans le 5 volume VP au moyen de l'entrée Ezi, - actionnement des pistons P1 et P2 de manière à amener la composition à base de biomasse de la zone Z1 vers la zone Z2, - chauffage de la zone Z2 à une température Tz2, et simultanément, dans la zone Z2, compression de la composition à base de biomasse en actionnant 10 le piston P1 et/ou le piston P2, de manière à atteindre une pression Pz2, - liquéfaction hydrothermale de la biomasse dans la zone Z2 à une température Tz2 et à une pression Pz2, - actionnement des pistons P1 et P2 de manière à amener la biomasse hydrothermalement liquéfiée dans la zone Z3, 15 - évacuation de la biomasse hydrothermalement liquéfiée au moyen de la sortie Sz3. La composition à base de biomasse est avantageusement une composition aqueuse. Elle comprend préférentiellement 30 à 90% en poids d'eau par rapport à son poids total. Aussi, la composition à base de biomasse comprend avantageusement entre 10 et 20 70% en poids de biomasse, par rapport au poids d'une composition aqueuse à base de biomasse. Tout type de biomasse peut être traité selon l'invention. Il s'agit généralement de matière organique CHNSO, c'est-à-dire de matière organique à base des éléments 25 carbone, hydrogène, azote, soufre et oxygène. A titre d'exemple, la biomasse peut être choisie parmi les matières organiques suivantes : bois ; résidus agroalimentaires tels que drêches de cassis, marcs de raisin, et drêches de brasserie ; liqueur noire (résultant de la fabrication de pâte à papier) ; 30 micro-algues ; boues de stations d'épuration ; vinasses ; macro-algues ; et polymères synthétiques. La biomasse peut présenter une granulométrie inférieure ou égale à 500 micromètres, plus avantageusement inférieure à 200 micromètres. La composition traitée peut donc 35 être hétérogène. Elle peut correspondre à une composition contenant des particules solides. 3061193 7 La composition de biomasse peut également comprendre un catalyseur permettant de favoriser la réaction de liquéfaction hydrothermale. Ce catalyseur peut être homogène. Il peut s'agir de carbonate de sodium ou de soude (NaOH) par exemple. 5 Comme évoqué précédemment, la composition à base de biomasse est avantageusement une composition aqueuse. Cependant, selon un mode de réalisation particulier, il peut s'agir d'une composition de biomasse dans un alcool avantageusement choisi dans le groupe comprenant l'éthanol, le méthanol, et l'isopropanol, seul ou en mélange. Dans ce cas, l'homme du métier saura adapter les 10 conditions de réaction données ci-après, notamment Pz2, Tz2 et le temps de réaction. En effet, un solvant organique permet généralement de travailler à une pression inférieure à celle nécessaire dans le cas d'une composition aqueuse de biomasse. L'introduction de la composition de biomasse dans la zone Z1 est avantageusement 15 réalisée sous pression positive (pression supérieure à la pression atmosphérique), notamment à l'aide d'une pompe d'injection. Aussi, la pression Pzi est avantageusement comprise entre 0,1 et 1 MPa, plus avantageusement entre 0,1 et 0,5 MPa. 20 D'autre part, la température Tzi est avantageusement comprise entre 20°C et 80°C, plus avantageusement entre 40 et 60°C. Dans ces conditions (pzi, Tzi), la composition de biomasse ne subit pas de réaction 25 secondaire et n'est pas sujette aux problèmes de sédimentation ou de bouchage. En effet, contrairement aux procédés de l'art antérieur, la composition de biomasse n'est pas introduite dans la zone de liquéfaction après avoir été chauffée à une température d'au moins 200°C. Ce n'est qu'une fois dans la zone Z2, que la 30 composition de biomasse est chauffée à au moins 200°C. Dans la zone Z2, les conditions de température et de pression permettent de réaliser la liquéfaction hydrothermale de la biomasse. 35 3061193 8 L'homme du métier saura adapter le couple pression/température pour assurer le maintien du milieu en phase liquide et en conditions sous critiques dans lesquelles l'eau se comporte à la fois comme un réactant et un solvant. La constante diélectrique de l'eau diminue de 78F.m-1 dans les conditions ambiantes (25°C/105 Pa) à 14 F.m-1 à 5 350°C/20MPa (M. Uematsu et E. U. Franck, « Static Dielectric Constant of Water and Steam » Journal of Physical and Chemical Reference Data, 1980, vol. 9, n°4, pages 1291-1306). Ce changement de constante diélectrique augmente la solubilité des composés organiques hydrophobes dans l'eau, et diminue celle des sels inorganiques. En outre, le produit ionique de l'eau est environ 100 fois plus élevé en conditions sous 10 critiques (1041,2 à 250°C/5 MPa et 10-12 à 350°C/25 MPa) qu'en conditions ambiantes (1044 à 25°C /105 Pa). La liquéfaction hydrothermale permet de tirer profit de ces propriétés. Toutefois, dans la zone Z2, la pression Pz2 est avantageusement comprise entre 5.106 15 Pa et 25.106 Pa, plus avantageusement entre 10 et 20 MPa. D'autre part, la température Tz2 est avantageusement comprise entre 200°C et 450°C, plus avantageusement entre 250°C et 350°C. 20 Selon un mode de réalisation particulier, la zone Z2 peut être chauffée avant le déplacement de la composition de biomasse dans la zone Z2, avantageusement à la température Tz2. La liquéfaction hydrothermale de la biomasse présente un temps de séjour dans la zone 25 Z2 avantageusement compris entre 1 minute et 15 minutes, plus avantageusement entre 2 et 10 minutes. Ce temps de séjour n'inclut pas le temps nécessaire pour atteindre Pz2 et Tz2, qui est avantageusement de l'ordre de 1 à 5 minutes. Une fois la liquéfaction hydrothermale réalisée, les produits formés sont transférés vers 30 la zone Z3 avant d'être évacués. L'actionnement des pistons P1 et P2 permet de diminuer la pression alors que le passage de la zone Z2 chauffée vers la zone Z3 non chauffée permet de diminuer la température. 35 Aussi, la pression Pz3 est avantageusement comprise entre 0,1 et 1 MPa, plus avantageusement entre 0,1 et 0,5 MPa (1 MPa = 106 Pa). 3061193 9 D'autre part, la température Tz2 est avantageusement comprise entre 60°C et 150°C, plus avantageusement entre 80 et 120°C. Les produits résultant de la liquéfaction hydrothermale sont évacués de la zone Z3, 5 avantageusement par actionnement des pistons P1 et P2 et, le cas échéant, par ouverture d'une vanne d'évacuation. Comme déjà indiqué, ces produits peuvent être évacués à une température élevée, proche de Tz2 avec un refroidissement rapide. 10 L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants donnés afin d'illustrer l'invention et non de manière limitative. DESCRIPTION DES FIGURES 15 La figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention dans un état de repos. La figure 2 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention dans un état de remplissage. 20 La figure 3 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention dans un état de liquéfaction hydrothermale. La figure 4 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention dans un état d'évacuation des produits de liquéfaction hydrothermale. 25 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Les figures 1 à 4 représentent différents états d'un dispositif de liquéfaction hydrothermale de la biomasse selon l'invention. 30 Ce dispositif se présente sous la forme d'une enceinte ayant trois zones distinctes : Z1, Z2 et Z3. Les pistons P1 et P2 coulissent indépendamment l'un de l'autre. Leur actionnement permet ainsi d'amener la composition à base de biomasse de la zone Z1 vers la zone Z3. Afin de ne pas nuire à la clarté des figures 1 à 4, le moyen de chauffe externe de la zone Z2 et les moyens d'activations des pistons P1 et P2 ne sont pas 35 représentés. 3061193 10 Dans un premier état de repos correspondant au dispositif avant l'introduction d'une composition à base de biomasse (figure 1), les pistons P1 et P2 sont avantageusement en contact. Le volume VP est alors sensiblement nul. 5 De manière générale, lorsque la composition de biomasse est introduite dans la zone Z1, les pistons P1 et P2 sont écartés de manière à générer un volume VP occupé par la composition de biomasse. Les pistons P1 et P2 portent également les références (1) et (2) sur les figures. 10 De manière avantageuse, c'est l'introduction de la composition de biomasse qui écarte les pistons P1 et P2 de manière à générer le volume VP (figure 2). Le volume VP est inférieur au volume VE de l'enceinte du dispositif En outre, le volume VP est généralement inférieur ou égal au volume définissant la zone Z2, c'est- 15 à-dire la zone de liquéfaction hydrothermale. De manière avantageuse, le volume VP correspond au volume de la composition de biomasse introduite. 20 Une fois l'introduction de la biomasse réalisée, les pistons P1 et P2 sont actionnés avec des moyens d'activation de manière à transférer la biomasse dans la zone Z2 (figure 3). Une fois dans la zone Z2, la composition à base de biomasse est simultanément chauffée à une température Tz2 et comprimée à une pression Pz2. 25 A titre d'exemple, dans une enceinte ayant la forme d'un cylindre circulaire, une zone Z2 de 40 cm de longueur et de 1,4 cm de diamètre, le temps de séjour dans la zone Z2 peut être de l'ordre de 85 secondes à 300°C et à une pression comprise entre 10 MPa et 15 MPa. Ces conditions permettent de traiter 2,6 litres de composition de biomasse par 30 heure. Le chauffage est assuré par un moyen externe de chauffe de la zone Z2 alors que la compression est réalisée par actionnement du piston P1 et/ou du piston P2. 35 Une fois la composition de biomasse dans les conditions de liquéfaction hydrothermale (pz2, Tz2), elle est maintenue dans la zone Z2 le temps nécessaire pour assurer la réaction. 3061193 11 Ensuite, les produits résultant de la liquéfaction hydrothermale de la biomasse sont transportés vers la zone d'évacuation Z3. Pour cela, on actionne les pistons P1 et P2, l'évacuation de la biomasse 5 hydrothermalement liquéfiée étant réalisée au moyen de la sortie Sz3, par exemple au moyen d'une vanne (figure 4). A l'issue de l'évacuation des produits résultant de la liquéfaction hydrothermale, les pistons P1 et P2 sont avantageusement en contact. 10 REVENDICATIONS1. Dispositif de liquéfaction hydrothermale d'une composition à base de biomasse, comprenant : - une enceinte définissant un volume VE, comprenant trois zones successives Z1, Z2 et Z3 : la zone Z1 étant munie d'une entrée Ezi d'une composition à base de biomasse, et étant à une température Tzi et à une pression Pzi, la zone Z2 correspondant à une zone de réaction par liquéfaction hydrothermale de la biomasse à une température Tz2 et à une pression Pz2, la zone Z3 étant munie d'une sortie Sz3 des produits issus de la réaction par liquéfaction hydrothermale de la biomasse, et étant à une température Tz3 et à une pression Pz3, - deux pistons P1 et P2, coulissant indépendamment l'un de l'autre entre les zones Z1, Z2 et Z3 de manière à amener la composition à base de biomasse de la zone Z1 vers la zone Z3, les pistons P1 et P2 étant susceptibles d'être espacés l'un de l'autre de manière à définir un volume VP variable et inférieur à VE, - un moyen de chauffe externe de la zone Z2, - des moyens d'activation des pistons P1 et P2 permettant de faire varier le volume VP. 2. Dispositif de liquéfaction hydrothermale selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte est de forme cylindrique. 3. Dispositif de liquéfaction hydrothermale selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume VE est compris entre 50 et 150 cm3. 4. Dispositif de liquéfaction hydrothermale selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'entrée Ezi est munie d'une vanne d'alimentation de la composition à base de biomasse, et en ce que la sortie Sz3 est munie d'une vanne d'évacuation des produits issus de la réaction par liquéfaction hydrothermale de la biomasse. 3061193 13 5. Dispositif de liquéfaction hydrothermale selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de chauffe externe de la zone Z2 est un moyen de chauffe par conduction thermique. 5 6. Procédé de liquéfaction hydrothermale d'une composition à base de biomasse, au moyen du dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant les étapes suivantes : - introduction d'une composition à base de biomasse dans la zone Z1, dans le volume VP au moyen de l'entrée Ezi, 10 - actionnement des pistons P1 et P2 de manière à amener la composition à base de biomasse de la zone Z1 vers la zone Z2, - chauffage de la zone Z2 à une température Tz2, et simultanément, dans la zone Z2, compression de la composition à base de biomasse en actionnant le piston P1 et/ou le piston P2, de manière à atteindre une pression Pz2, 15 - liquéfaction hydrothermale de la biomasse dans la zone Z2 à une température Tz2 et à une pression Pz2, - actionnement des pistons P1 et P2 de manière à amener la biomasse hydrothermalement liquéfiée dans la zone Z3, - évacuation de la biomasse hydrothermalement liquéfiée au moyen de la 20 sortie Sz3. 7. Procédé de liquéfaction hydrothermale selon la revendication 6, caractérisé en ce que : - la pression Pzi est comprise entre 0,1 et 1 MPa, 25 - la pression Pz2 est comprise entre 5.106 Pa et 25.106 Pa, - la pression Pz3 est comprise entre 0,1 et 1 MPa, - la température Tzi est comprise entre 20°C et 80°C, - la température Tz2 est comprise entre 200°C et 450°C, avantageusement entre 250°C et 350°C, 30 - la température Tz3 est comprise entre 60°C et 150°C. 8. Procédé de liquéfaction hydrothermale selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la liquéfaction hydrothermale de la biomasse présente un temps de séjour dans la zone Z2 compris entre 1 minute et 15 minutes. 35 3061193 14 9. Procédé de liquéfaction hydrothermale selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la composition à base de biomasse comprend entre 10 et 70% en poids de biomasse, par rapport au poids de la composition à base de biomasse. 10. Procédé de liquéfaction hydrothermale selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la zone Z2 est chauffée par conduction thermique.