Brevet FR3060603A1 — publié le 20180622

DISPOSITIF ET PROCEDE DE PRODUCTION DE PRODUITS DIFFERENCIES, DANS DES PROPORTIONS MODULABLES, A PARTIR D'UNE PYROLYSE DE BIOMASSE VEGETALE La présente invention couvre un dispositif et un procédé de production de produits différenciés, dans des proportions modulables, à partir d'une pyrolyse de biomasse végétale. Afin de limiter les déchets verts ou plus généralement la biomasse végétale, et même de les valoriser plutôt que de les brûler de façon simple pour collecter les calories émises, il existe des dispositifs connus ayant cet objectif. C'est ainsi que l'on connaît le brevet US 9434895 pour la production de biochar, un charbon végétal finement broyé. Les déchets carbonés sont introduits dans un réacteur, sans oxygène, par pyrolyse, les produits issus de la thermo transformation de la matière carbonée sous forme de combustible gazeux et liquide sont brûlés pour produire de la chaleur qui est récupérée, le biochar également produit est collecté. Le brevet WO 2014155058 décrit également la production de biochar par pyrolyse de bois, ce brevet prévoyant un envoi de gaz chauds issus de la combustion d'un combustible dans un cellule indépendante du four de pyrolyse pour réduire le taux d'humidité du bois dans une premier temps puis chauffer le bois avec des gaz chauds issus de la combustion de combustible pour assurer la pyrolyse dudit bois dans un second temps, prélever une partie des gaz issus de la pyrolyse pour les brûler dans la cellule, détourner une partie du gaz inerte de combustion pour réguler le flux de chaleur et d'air pour contrôler la réaction de pyrolyse dans le four de pyrolyse. Le seul produit valorisé est le biochar, le but étant de limiter la diffusion de gaz indésirables comme le méthane lors de la pyrolyse. Un autre document WO 2007033642 décrit un réacteur de biomasse destinée à être pyrolysée, comprenant une enceinte avec une double paroi de façon à introduire un échangeur de chaleur dans cette double paroi de circulation des gaz de pyrolyse afin de préchauffer de l'air de combustion. 3060603 2 Ont sait par ailleurs que lorsque l'on chauffe la biomasse à forte température et très rapidement on obtient essentiellement du gaz combustible et du combustible liquide, si l'on chauffe à température modérée, on obtient plus de charbon végétal. Compte tenu de ces connaissances de l'art antérieur, les procédé et dispositif de la présente 5 invention visent à obtenir des sous-produits de la pyrolyse de la biomasse en continu et avec un dosage des quantités de produits obtenus en fonction des besoins. Les procédé et dispositif sont maintenant décrits en détail suivant un mode de réalisation particulier, non limitatif, en regard de la figure unique annexée, figure sur laquelle le dessin représente un schéma du dispositif selon la présente invention. 10 Sur la figure 1, on a représenté des moyens de stockage de biomasse 10, un four de pyrolyse 12, des moyens d'alimentation contrôlée 14 du four en biomasse, des moyens de récupération 16 des sous-produits, un brûleur 18 et un échangeur 20. Les moyens de stockage de biomasse 10 comprennent un réservoir de biomasse 10-1 avec une trémie d'alimentation 10-2 en partie inférieure, reliée de façon étanche au four de 15 pyrolyse 12, à travers un sas de transfert, ce sas comportant des moyens de fermeture étanche afin d'éviter le passage des gaz de pyrolyse dans le réservoir de biomasse, le réservoir de biomasse 10-1 comportant également une ouverture 10-3 avec des moyens de fermeture en partie supérieure, destinée à permettre régulièrement l'apport de la biomasse à traiter et un piquage 10-4 avec un extracteur 10-5 permettant d'évacuer les gaz de 20 combustion du brûleur 18 comme il sera expliqué plus avant. Un piquage 10-6 prévu au droit de la trémie est prévu pour introduire lesdits gaz de combustion. Le sens de déplacement de la biomasse dans le réservoir 10-1 est vertical et à effet gravitaire. Tout moyen pour permettre le déplacement forcé dans la trémie est mis en place afin d'éviter tout blocage. De tels moyens peuvent être sous forme de vibreurs et/ou de 25 poussoirs. Le four de pyrolyse 12 est du type horizontal, statique avec une entrée 12-1 et une sortie 122. L'entrée 12-1 se situe au droit de la trémie d'alimentation 10-2. En amont de cette entrée, il est prévu des moyens d'alimentation contrôlés 14 sous forme d'un piston 14-1 à mouvements alternatifs, destiné à pousser sur une faible distance en sorte de faire avancer la biomasse dans ledit four, suivant un axe horizontal ou faiblement incliné. Le piston 14-1 est perforé de façon à laisser passer les gaz. 3060603 3 Un piquage de sortie 12-3 est positionné à l'extrémité amont du four de pyrolyse 12. Le four de pyrolyse 12 comporte un autre piquage d'entrée 12-4 pour l'alimentation en gaz chaud comme expliqué plus avant. Le four de pyrolyse 12 comporte en outre une évacuation 12-5 par gravité du charbon 5 végétal fabriqué, vers un stockage 12-6. Cette évacuation se situe à l'extrémité aval dudit four de pyrolyse 12. Cette évacuation prend, dans le mode de réalisation présenté, un sabot à inclinaison réglable de façon à maintenir le remplissage du four malgré la perte de volume de la biomasse lors de la pyrolyse. Un brûleur 18 est associé au four de pyrolyse 12. Un tel brûleur 18 est alimenté en 10 combustible fossile, de façon connue, afin de permettre la production de gaz chauds à une température comprise entre 300°C et 1200°C pour amorcer la pyrolyse. Une injection de gaz comburant par un injecteur 18-1 en l'occurrence de l'air est prévue pour alimenter ledit brûleur. Ce gaz comburant peut être optimisé avec un apport d'oxygène pur de manière à améliorer les performances et de faciliter la récupération du dioxyde de carbone en sortie. 15 Le gaz comburant entrant par l'injecteur (18-1) peut également être remplacé par un gaz chaud, non nécessairement réactif et provenant d'une source extérieure de calorie, afin d'apporter au système une partie ou l'intégralité de l'énergie nécessaire à la pyrolyse. Une source de chaleur fatale industrielle ou une source de chaleur naturelle peuvent notamment être valorisées de cette façon. 20 Ce brûleur 18 comprend une sortie 18-2 reliée à l'échangeur 20. Ce brûleur comporte aussi une entrée des gaz de pyrolyse 18-3, c'est-à-dire du gaz combustible provenant de la combustion pyrolytique comme cela sera mieux compris plus avant dans la description. L'échangeur 20 est solidaire du four de pyrolyse 12 et comporte un double flux. 25 Il comporte une première entrée 20-1 du gaz de combustion du brûleur 18, à une température T1, directement issu du brûleur, avec un premier sens de circulation du premier flux suivant la flèche F1 dans l'échangeur 20, de l'aval vers l'amont si l'on prend le déplacement de la biomasse dans le four de pyrolyse 12. L'échangeur 20 comporte une première sortie 20-2 du premier flux des gaz de combustion à 30 une température T2, flux qui est dirigé par une ligne LO vers le piquage 10-6 au droit de la trémie dans laquelle le premier flux des gaz de combustion du brûleur 18 pénètre pour circuler dans la biomasse brute. 3060603 4 L'échangeur double flux dispose d'une seconde entrée 20-3 positionnée au droit de la sortie 20-2 et une seconde sortie 20-4 disposée au droit de l'entrée 20-1, avec un sens de circulation d'un second flux suivant la flèche F2, opposé à celui du premier flux. Ce second flux est composé de gaz de pyrolyse, issu du piquage de sortie 12-2 du four 12, 5 positionné à l'extrémité amont du four de pyrolyse 12. Un circulateur 20-5 en amont de la seconde entrée 20-3 assure la circulation forcée du flux de gaz de pyrolyse sur une ligne L1 reliant le piquage de sortie 12-3 du four de pyrolyse 12 et la seconde entrée 20-3 de l'échangeur 20. Le second flux, composé de gaz de pyrolyse en sortie du circulateur 20-5, est à une 10 température T3 en entrée 20-3 et à une température T4 en sortie 20-4 de l'échangeur 20. La sortie 20-4 de l'échangeur 20 est raccordée à l'aval du four de pyrolyse 12, par une ligne L2 au piquage 12-4, de façon à injecter ledit gaz de pyrolyse et à faire circuler ledit gaz de pyrolyse, après la sortie 20-4 de l'échangeur 20, à contre-courant, dans la biomasse au sein du four de pyrolyse 12, selon la technique du lit fixe. 15 Une vanne 20-7 assure la régulation du second flux sur la première ligne L1 de sortie du circulateur 20-5, reliée à la seconde entrée 20-3 de l'échangeur 20. Une autre ligne L3 assure la liaison en sortie du circulateur 20-5 avec le piquage d'entrée 183 du gaz de pyrolyse prévu sur le brûleur 18. Cette ligne L3 est également équipée d'une vanne 20-8 qui assure la régulation de 20 l'alimentation du brûleur 18. Une ligne L4 assure la liaison en sortie du circulateur 20-5 avec les moyens de récupération 16 des sous-produits. Cette ligne L4 est équipée d'une vanne 20-9 qui assure la régulation de l'alimentation de ces moyens de récupération 16 des sous-produits. Ces moyens de récupération 16 de sous-produits comprennent un cyclone 16-1 destiné à 25 collecter les poussières sous forme de fines, un condenseur 16-2 destiné à séparer les hydrocarbures liquides et un stockage 16-3 du gaz de pyrolyse ou syngas, dit aussi gaz de synthèse. L'ensemble du dispositif est de préférence calorifugé afin de prévenir les points froids et les dépôts de goudrons, notamment au niveau des pièces mobiles, des conduites de gaz et de 30 l'échangeur. Le procédé selon la présente invention consiste à moduler le fonctionnement pour l'adapter aux besoins. 3060603 5 Le four 12 est chargé en biomasse par la trémie 10-2 pour amorcer. Le piston est manoeuvré pour créer cette première charge. Le brûleur est alimenté en combustible fossile, fuel ou gaz ou encore syngas préalablement stocké, pour fournir du gaz de combustion chaud à la température T1, qui circule dans 5 l'échangeur 20 et chauffe l'enceinte du four 12 ainsi que son contenu. La phase initiale d'amorçage est non considérée car elle reste hétérogène et seule est considérée la phase en régime normal. Ce gaz de combustion, après passage dans l'échangeur 20, suivant la flèche F1, sort en 20-2 à une température T2 T3 est conduit par la ligne L2 au piquage 12-4 dans l'enceinte du four 12. Le charbon végétal est collecté en sortie 12-5 dans un stockage 12-6. Le gaz de pyrolyse peut être conduit pour une autre part par la ligne L3 directement dans le 5 brûleur 18 de façon à apporter la quantité de combustible nécessaire pour obtenir la quantité et la température T1 souhaitées des gaz de combustion en sortie de brûleur. La combustion est aussi gérée par l'apport de gaz comburant à travers l'injecteur 18-1, en l'occurrence de l'air qui apporte l'oxygène nécessaire ou éventuellement un apport d'oxygène pur comme indiqué plus en amont dans la description. 10 Le gaz de pyrolyse peut être conduit pour une autre part encore par la ligne L4 vers les moyens de récupération de sous-produits valorisables : - Poussières susceptibles d'être brûlées, d'être utilisées comme noir de carbone, comme charge, - Condensation d'hydrocarbures liquides pouvant servir de bio-carburant ou de base 15 pour la chimie verte, - Syngas propre prêt à être utilisé ou stocké. Ainsi, suivant les besoins, il est possible, avec le même dispositif : - de produire plus de charbon végétal et moins de sous-produits, hydrocarbures et syngas, en contrôlant la température de pyrolyse et en effectuant une pyrolyse lente 20 entre 300 et 500°C dans le lit fixe. La dimension de broyage de la biomasse est comprise entre du millimétrique et du centimétrique. Si la dimension de broyage est faible, on obtient directement du biochar c'est-à-dire de la poudre de carbone avec des activités industrielles, agricoles ou domestiques. Si la dimension est plus importante, le charbon végétal obtenu est utilisé comme combustible domestique et 25 connu sous le nom de charbon de bois. Dans tous les cas, le procédé en continu selon la présente invention est de meilleur rendement que les dispositifs travaillant en "batchs", discontinus. - de produire moins de charbon végétal et plus de sous-produits, hydrocarbures et syngas, en contrôlant la température de pyrolyse et en effectuant une pyrolyse plus 30 rapide dans le lit fixe allant jusqu'à une pyrolyse dite flash. La température est plus élevée, comprise entre 600 et 1200°C, le flux massique des gaz est plus élevé et le coefficient d'échange thermique entre le gaz caloporteur et la biomasse est 3060603 7 augmenté. Une biomasse broyée de façon millimétrique ou submillimétrique favorise la pyrolyse rapide. Ainsi, à une température régulée de l'ordre de 500°C et une dimension de biomasse centimétrique, on effectue une pyrolyse lente et on obtient de façon brute les fractions 5 massiques suivantes : 30% eau - 20% de charbon végétal - 3% d'hydrocarbure liquide - 47% de Syngas 10 Ces proportions sont données lorsqu'aucune consommation de gaz de pyrolyse dans le brûleur n'est considérée, si bien que l'entretien de la réaction de pyrolyse dans le four est obtenu soit à partir du brûleur mais alimenté par d'autres moyens, soit par une admission directe par l'injecteur (18-1) de gaz chauds provenant d'une source extérieure. Le brûleur 18 peut être alimenté par la ligne L3, avec une fraction de syngas produit, 15 l'excédent étant stocké. La charge est également maîtrisée par les moyens d'alimentation contrôlée de façon aisée par la présence du piston qui assure une régularité parfaite de l'alimentation et un volume donc un poids réglable par la vitesse de mouvement du piston et la fréquence f. Le transfert des calories par le gaz de pyrolyse lui-même qui joue le rôle de fluide 20 caloporteur permet de diminuer les pertes de calories. Le circuit est plus court et évite aussi les déperditions. Le système fonctionne en continu après la phase d'amorçage si bien que c'est un atout pour la production de charbon végétal en améliorant le rendement, en diminuant les rejets à l'atmosphère et en valorisant certains sous-produits. 25 Enfin, le choix des ratios des sous-produits confère une flexibilité de production intéressante, en fonction des besoins, sachant que le réservoir et sa trémie avec son sas permettent d'introduire de la biomasse millimétrique ou centimétrique indifféremment en fonction des besoins. La trémie avec son sas a été décrite avec une circulation gravitaire de la biomasse mais la 30 trémie pourrait être horizontale ou inclinée avec tout moyen adapté de poussée tel qu'une vis sans fin, un piston ou un convoyeur. Dans cet agencement, le sas de la trémie est en amont du four et peut être directement la chambre de séchage/préchauffage, les gaz de REVENDICATIONS1. Dispositif de production de sous-produits différenciés, dans des proportions modulables de charbon végétal de granulométrie variable - biochar et/ou charbon de bois, de syngas et d'hydrocarbure, par pyrolyse de biomasse comprenant des moyens de stockage de biomasse (10), avec une trémie d'alimentation (10-2) en partie inférieure avec un sas, un four (12), des moyens d'alimentation contrôlée (14) dudit four en fluide caloporteur et un brûleur (18) émettant des gaz de combustion, de façon à générer une pyrolyse à lit fixe, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur (20), solidaire du four de pyrolyse (12), comportant : - une première entrée (20-1) du gaz de combustion du brûleur (18), à une température T1, directement issu du brûleur, avec un premier sens de circulation du premier flux, - une première sortie (20-2) du premier flux des gaz de combustion du brûleur (18) à une température T2, avec T2 T3, le second flux issu de la seconde sortie (20-4) étant reliée à l'aval du four de pyrolyse (12). 2. Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et d'hydrocarbure, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circulateur (20-5) en amont de la seconde entrée (20-3) qui assure la circulation forcée d'au moins une partie du flux de gaz de pyrolyse par une ligne L1 reliant le piquage de sortie (12-3) du four de pyrolyse (12) et la seconde entrée (20-3) de l'échangeur (20), ladite ligne Ll étant équipée d'une vanne (20-7). 3. Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et d'hydrocarbure, dans des proportions modulables, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de 3060603 10 stockage de biomasse (10) comprennent un réservoir de biomasse (10-1) avec une trémie d'alimentation (10-2), reliée de façon étanche directement au four de pyrolyse (12), le réservoir de biomasse (10-1) comprenant un piquage (10-4) avec un extracteur (10-5) permettant d'évacuer les gaz de combustion du brûleur (18), un piquage (10-6) prévu au 5 droit de la trémie d'alimentation (10-2) étant prévu pour introduire lesdits gaz de combustion issus du brûleur (18). 4 Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et d'hydrocarbure dans des proportions modulables, selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il 10 comprend une ligne L3 assurant la liaison en sortie du circulateur (20-5) avec un piquage d'entrée (18-3) du gaz de pyrolyse ménagé sur le brûleur (18). 5 Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et d'hydrocarbure dans des proportions modulables, selon la revendication 4, caractérisé en ce que la ligne L3 est 15 également équipée d'une vanne (20-8). 6 Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables, selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne L4 assurant la liaison en sortie du circulateur (20-5) avec les moyens de récupération 16 des sous-produits. 20 7 Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et d'hydrocarbure, selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une vanne (20-9). 8 Dispositif de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et 25 d'hydrocarbure, selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de récupération (16) de sous-produits comprennent un cyclone (16-1) destiné à collecter les poussières sous forme de fines, un condenseur (16-2) destiné à condenser les hydrocarbures liquides et un stockage (16-3) du gaz de pyrolyse ou syngas, dit aussi gaz de synthèse. 9 Procédé de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans 30 des proportions modulables de charbon végétal de granulométrie variable, de syngas et d'hydrocarbure, en utilisant un four (12) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un lit fixe à travers lequel on fait passer comme 3060603 11 fluide caloporteur au moins une partie des gaz de pyrolyse et en ce que l'on réchauffe cette au moins une partie des gaz de pyrolyse de façon contrôlée par une source calories auxiliaire. 10 Procédé de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans 5 des proportions modulables, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le on réchauffe la au moins une partie des gaz de pyrolyse au moyen d'un brûleur utilisant au moins une partie du syngas produit lors de la pyrolyse. 11 Procédé de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables, selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'on 10 introduit des particules de biomasse centimétriques, la température des gaz de pyrolyse est de l'ordre de 300 à 500°C et la vitesse de circulation est faible de façon à produire de façon préférentielle du charbon végétal et moins d'hydrocarbures et de syngas. 12 Procédé de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables, selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'on 15 introduit des particules de biomasse millimétriques, la température des gaz de pyrolyse est comprise entre 600 et 1200°C et la vitesse de circulation est rapide de façon à produire de façon préférentielle des hydrocarbures et de syngas et moins de charbon végétal. 13 Procédé de production de sous-produits différenciés par pyrolyse de biomasse, dans des proportions modulables, selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que l'on 20 introduit des particules de biomasse millimétriques, la température des gaz de pyrolyse est de l'ordre de 300 à 500°C et la vitesse de circulation est faible de façon à produire de façon préférentielle du biochar et moins d'hydrocarbures et de syngas.