Brevet FR3087789A1 — publié le 20200501

Description Titre de l'invention : Procédé de fabrication en continu d'une matière combustible pour chaudière industrielle, matière et ins- tallation correspondantes Domaine de l'invention 100011 Le domaine de l'invention est celui des combustibles à hase de biomasse. 100021 Plus précisément, l'invention concerne un procédé et une installation de fabrication d'une matière combustible pour chaudière industrielle à partir de plaquettes de bois. 100031 L'invention trouve également une application dans la fabrication de matière com- bustible pour fours industriels, et pour des chaudières et poêles domestiques. Art antérieur [0004] On connait, par exemple du document CA1141376, ou du document W02006/006863, des techniques de fabrication de granulés ou pellets à partir de matière lignocellulosique s'appuyant sur un procédé de « steam explosion ». [0005] Ces techniques connues reposent sur une production de granulés en batch, dans un réacteur, qui est remplit puis vidé après avoir exposé de la matière lignocellulosique de la vapeur sous pression pendant quelques dizaines de secondes à quelques minutes, voire quelques dizaines de minutes, et ensuite dépressurisé rapidement l'enceinte du réacteur. [0006] Elles présentent l'inconvénient d'être complexes et couteuses à mettre en oeuvre du fait qu'il faut à chaque fournée vider le réacteur. Par ailleurs, lors de la détente la vapeur se refroidit de façon importante, et n'est plus utilisable. Objectifs de l'invention [0007] L'invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l'état de la technique cités ci-dessus. [0008] Plus précisément l'invention a pour objectif de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible qui limite les pertes de matière. [0009] Un objectif de l'invention est également de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible à partir de plaquettes de bois qui permette d'obtenir une matière combustible dont le pouvoir calorifique inférieur est supérieur ou égal à 5 MWh/t, et de préférence supérieur ou égal à 5,6 MWh/t. [0010] L'invention a également pour objectif de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible dont la productivité est élevée. 100111 Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible à partir de plaquettes de bois qui permette d'obtenir une matière combustible dont la reprise en eau est limitée à 10% en masse. 2 100121 Encore un objectif de l'invention est de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible à partir de plaquettes de bois qui permette d'obtenir une matière combustible dont la perte de durabilité mécanique après 1 heure d'immersion est inférieure à 2% et/ou dont les pertes sous forme de poussières sont inférieures à 3%. [0013] Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible à partir de plaquettes de bois qui permette d'obtenir une matière combustible dont la densité est supérieure ou égale à 650 kg/m3, et de préférence supérieure ou égale à 700 kg/m3. [0014] L'invention a également pour objectif de fournir une technique de fabrication d'une matière combustible qui soit fiable, simple à mettre en oeuvre et d'un coût de revient réduit. Exposé de l'invention [0015] Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un procédé de fabrication d'une matière combustible, notamment pour chaudière industrielle, à partir de plaquettes de bois. [0016] Selon l'invention un tel procédé comprend les étapes suivantes : [0017] - obtention à partir desdites plaquettes de bois de fragments de bois présentant un taux d'humidité compris entre 5 et 25% ; [0018] - introduction en continu d'un volume prédéterminée par minute desdits fragments de bois obtenus dans un réacteur sous pression, ledit réacteur étant alimenté en vapeur d'eau sensiblement saturée dont la pression est comprise entre 15,6 et 23,2 bars et la température est comprise entre 200 et 220°C dans le réacteur ; [0019] - exposition des fragments de bois introduits dans ledit réacteur à ladite vapeur d'eau pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage comprise entre 5 et 9 mn, la valeur de ladite durée d'exposition et la valeur de la température de ladite vapeur sensiblement saturée étant sélectionnées de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 4,05 et 4,15 ; [0020] - extraction en continu dudit réacteur d'un même volume prédéterminé de fragments de bois par minute, au travers d'au moins un orifice débouchant dans un conduit sensiblement à la pression atmosphérique, de sorte à provoquer une décompression explosive desdits fragments de bois extraits dudit réacteur dans ledit conduit [0021] - séparation desdits fragments de bois décompressés et de la vapeur résiduelle extraite dudit réacteur, lesdits fragments de bois obtenus après séparation formant ladite matière combustible. [0022] Ainsi, de façon inédite, l'invention propose de fabriquer de la matière combustible à partir en continu en tirant partie d'un traitement par « steam explosion » grâce à de la vapeur dont la pression est comprise entre 15,6 et 23,2 bars et la température est 3 comprise entre 200 et 220°C et pour une durée d'exposition à la vapeur comprise entre 5 et 9 minutes, les valeurs de la température et de la durée d'exposition étant choisi de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 4,05 et 4,15. [0023] On obtient ainsi une matière combustible présentant un pouvoir calorifique important et avec une productivité convenable, tout en limitant les pertes de matière. [0024] On notera que dans le cadre de l'invention, le facteur de sévérité FS se calcule de façon connue en soi à de la formule suivante : [0025] [Math 1] F5 hg( I e -L4.,s 0 100261 avec T la température de la vapeur d'eau dans le réacteur (en °C) et At la durée d'exposition dans le réacteur (en minutes). 100271 Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, ladite durée d'exposition des fragments de bois à ladite vapeur d'eau dans le réacteur est comprise entre 6 et 8 minutes. [0028] Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, la tem- pérature de ladite vapeur d'eau dans le réacteur est comprise entre 205 et 210°C. [0029] Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus comprend en outre une étape de transformation de ladite matière combustible en pellet. [0030] Selon un aspect particulier de l'invention, les plaquettes de bois sont issues de feuillus et/ou de résineux. [0031] Selon un aspect préférentiel de l'invention, le taux d'humidité desdits fragments de bois obtenus est compris entre 8 et 12%. [0032] Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, lors de l'étape d'exposition. la valeur de ladite durée d'exposition et la valeur de la température de ladite vapeur sensiblement saturée sont sélectionnées de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 4.05 et 4.10. [0033] Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, lors de l'étape d'exposition, la valeur de ladite durée d'exposition et la valeur de la température de ladite vapeur sensiblement saturée sont sélectionnées de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 4,10 et 4,15. [0034] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lesdits fragments de bois sont majoritairement des fragments de bois de plus grande dimension comprise entre 0,5 et 14 mm [0035] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, au moins 80% de la masse desdits fragments de bois obtenus à partir des plaquettes de bois est composée de fragments de bois de plus grande dimension comprise entre 3,15 mm et 45mm [0036] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, moins de 0,5% de la masse desdits fragments de bois obtenus à partir des plaquettes de bois est composée de fragments de bois de plus grande dimension supérieure ou égale à 85mm. [0037] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, moins de 1% de la masse desdits fragments de bois obtenus à partir des plaquettes de bois est composée de fragments de bois de plus grande dimension supérieure ou égale à 45mm. [0038] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, moins de 5% de la masse desdits fragments de bois obtenus à partir des plaquettes de bois est composée de fragments de bois de plus grande dimension inférieure ou égale à 3,15mm. [0039] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, lors de ladite étape d'extraction en continu dudit réacteur d'un même volume prédéterminé de fragments de bois par minute, l'extraction est mise en oeuvre au travers d'une pluralité d'orifices débouchant dans un conduit sensiblement à la pression atmosphérique [0040] Selon un mode réalisation particulier de l'invention, ladite étape d'obtention de fragments de bois présentant un taux d'humidité compris entre 5 et 25% comprend une étape de broyage de plaquettes de bois naturel et/ou de plaquettes de bois de récupération et une étape de séchage desdites plaquettes de bois broyées. [0041] Avantageusement, ladite étape d'introduction desdits fragments de bois dans le réacteur comprend une étape de compactage et de poussée desdits fragments à l'aide d'une vis. [0042] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, ledit réacteur est un réacteur vertical et que lesdits fragments de bois introduits dans ledit réacteur sont entraînés vers une zone d'extraction proche du fond dudit réacteur sous l'effet de la gravité. [0043] Dans un autre mode de réalisation particulier de l'invention, ledit réacteur est ho- rizontal et en ce que l'étape d'exposition comprend une étape de transport desdits fragments entre une zone d'introduction et une zone d'extraction dans ledit réacteur. [0044] De préférence, ladite étape de séparation comprend une étape de centrifugation desdits fragments de bois et/ou une étape de passage desdits fragments de bois et de la vapeur résiduelle dans un cyclone. [0045] Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus comprend une étape d'humidification de la matière combustible afin d'améliorer sa capacité à être transformé en pellet. [0046] L'invention concerne également une installation de fabrication d'une matière com- bustible, notamment pour chaudière industrielle, à partir de plaquettes de bois, comprenant : [0047] - des moyens de transformation desdites plaquettes de bois en fragments de bois présentant un taux d'humidité compris entre 5 et 25% ; [0048] - des moyens de génération de vapeur d'eau sous pression sensiblement saturée dont la pression est comprise entre 15,6 et 23,2 bars et la température est comprise entre 200 et 220°C ; [0049] - un réacteur sous pression présentant des orifices pour l'extraction de fragments de bois et des moyens d'introduction en continu d'un volume prédéterminée par minute desdits fragments de bois dans ledit réacteur, ledit réacteur étant configure de sorte que des fragments de bois introduits dans ledit réacteur puissent séjourner dans le réacteur pendant une durée comprise entre 5 et 9 mn; [0050] - des moyens d'alimentation dudit réacteur avec la vapeur d'eau générée par lesdits moyens de génération ; [0051] - des moyens d'introduction en continu d'un volume prédéterminée par minute desdits fragments de bois dans ledit réacteur ; [0052] - des moyens d'extraction en continu dudit réacteur d'un même volume prédéterminé de fragments de bois par minute ; [0053] - un conduit sensiblement à la pression atmosphérique dans lequel débouchent lesdits orifices ; [0054] - des moyens de séparation desdits fragments de bois décompressés et de la vapeur résiduelle extraite dudit réacteur, lesdits fragments de bois obtenus après séparation formant ladite matière combustible ; [0055] ledit réacteur, lesdits moyens d'introduction en continu et d'extraction en continu étant configurés les uns par rapport aux autres de sorte que le facteur de sévérité du traitement dans le réacteur soit compris entre 4,05 et 4,15. [0056] L'invention concerne aussi une matière combustible obtenue par la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus présentant une augmentation en masse inférieure ou égale à 10% après immersion complète dans un récipient d'eau pendant une heure et égouttage pendant 30mn. [0057] L'invention concerne encore une matière combustible obtenue par la mise en oeuvre du procédé de fabrication d'une matière combustible tel que décrit ci-dessus, présentant un pouvoir calorifique inférieur supérieur ou égal à 5 MWh/t, de préférence supérieur ou égale à 5,6 MWh/t. Liste des figures [0058] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : [0059] [fig.1] est une représentation sous forme d'un exemple de mode de réalisation d'une installation de fabrication d'une matière combustible selon l'invention ; [0060] [fig.2] illustre de façon synoptique, les étapes d'un autre exemple de mode de réa- lisation d'un procédé de fabrication d'une matière combustible selon l'invention, sous forme de diagramme. 6 Description détaillée de l'invention [0061] Exemple de mode (le réalisation de l'invention [0062] On a illustré sur la figure 1 un exemple de mode de réalisation d'une installation 10 de fabrication d'une matière combustible selon l'invention à partir de plaquettes de bois. [0063] Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention les plaquettes de bois mis en oeuvre sont. des plaques de bois de chêne et de hêtre. Dans des variantes de ce mode de réalisation de l'invention, il peut être envisagé de mettre en oeuvre des plaquettes de bois naturel de toute essence convenable, tels que des bois de feuillus durs, des bois résineux, par exemple de l'épicéa, ... et/ou de bois de récupération, tel que des bois de classe A ou de classe B. [0064] Cette installation 10 comprend un broyeur à marteaux 11 alimenté en plaquettes de bois à l'aide d'une vis sans fin 12 qui prélève les plaquettes dans un silo à échelles 13. Un séparateur de gros bois élimine les éléments hors dimensions avant que les plaquettes n'entrent dans le broyeur 11. Dans ce broyeur humide 11, les plaquettes de bois sont broyées sous la forme de fragments de bois de plus grande dimension comprise majoritairement entre 4 et 6 millimètres. Le remplissage du silo 13 est assuré par une chargeuse à godet qui prélève des plaquettes dans des tas formés sur des zones de stockage au sol. [0065] Dans unc variante de ce mode de réalisation particulier dc l'invention, il peut être prévu de mettre en oeuvre unc ligne automatisée qui écorce et broie directement des rondins dc bois, sous forme dc fragments de bois, équipée d'un convoyeur pour le chargement du silo. [0066] Ces fragments dc bois se déversent en sortie du broyeur 11 sur un tapis convoyeur 14, équipé d'une bande peseuse, qui les transporte vers la trémie d'alimentation d'un sécheur à air chaud 15 à basse température. Dans cc mode de réalisation de l'invention, la température de l'air chaud du sécheur est sensiblement égale à 80°C. Dans des variantes de ce mode de réalisation, la température de Fair chaud peut être comprise entre 70°C et 75°C, entre 75 et 80°C ou entre 80 et 85°C. [0067] Cc sécheur 15 est dans ce mode de réalisation particulier de l'invention un sécheur à bande double couche. Les fragments entrants dans le sécheur sont répartis de manière homogène par une première vis d'alimentation sur une bande. La couche de fragments de bois formée est transportée à travers le sécheur sur la bande avant de se décharger sur la première vis de déchargement. Au moyen d'un convoyeur à vis supplémentaire, les fragments de bois sont transférés vers une deuxième vis d'alimentation qui vient déposer une seconde couche sur la première dans le sécheur. Après avoir parcouru une deuxième fois la moitié du sécheur, les fragments de bois séchés, dont le taux 7 d'humidité est désormais inférieur à 10%, sont séparés, déchargés et convoyés vers un silo de stockage tampon 16. [0068] Un capteur d'humidité contrôle en continu la teneur en humidité des fragments de bois en sortie du sécheur et la vitesse d'avancement de la bande est régulée automatiquement afin dc maintenir le taux d'humidité des fragments de bois constant en sortie du sécheur. [0069] Dans le sécheur, des ventilateurs d'extraction aspirent l'air ambiant à travers des échangeurs de chaleur dans lesquels l'air est chauffé en deux étapes avant de le souffler sur les fragments dc bois. Grâce à ce flux d'air, les fragments de bois sont plaqués sur la bande et très peu de poussières s'en échappent. Les échangeurs de chaleur sont des échangeurs cau/air, dans lesquels circulent de l'eau chaude provenant d'une installation de cogénération. [0070] Dans des variantes de cc mode de réalisation de l'invention, il peut également être envisagé de mettre en oeuvre un sécheur à tambour rotatif. [0071] On notera que dans le silo tampon se produit une homogénéisation partielle du taux d'humidité des fragments de bois séchés. [0072] Les fragments de bois séchés sont extraits du silo 16 par une vis planétaire et déposé sur un tapis convoyeur qui les transporte jusqu'à un silo d'alimentation 17 d'un réacteur 18 permettant de traiter 15 tonnes par heure de fragments de bois en continu. [0073] Le réacteur 18 est un réacteur sous pression dans lequel on injecte de la vapeur d'eau surchauffée dont la pression est de 19 bars et la température est de 250°C par sa partie inférieure. Ce réacteur orienté verticalement est de forme conique afin d'éviter la formation de bouchons. Le flux de vapeur est extrait hors du réacteur au niveau de la partie supérieure du réacteur. En sortie du réacteur, la vapeur est renvoyée vers la chaudière CH dans laquelle elle a été produite. [0074] On notera que dans le réacteur 18 la température de la vapeur est de 209°C et la pression de 18,7 bars. [0075] Le silo 17 est en forme d'une ellipsoïde tronquée, afin de faciliter l'écoulement des fragments de bois. [0076] Par ailleurs, dans le silo 17, un racleur rotatif permet de pousser les fragments de bois vers une vis sans fin d'extraction 19. [0077] Cette vis sans fin 19 conique, dont la section s'amenuise à mesure que la vis pénètre dans le réacteur 18, prélève en continu une quantité prédéterminée de fragments de bois séchés dans le silo 17, la pré-comprime et la pousse dans le réacteur 18 sous pression au travers d'un orifice de passage de la vis. Les dimensions de l'orifice conique et de la vis ont été sélectionnées l'une par rapport à l'autre de façon à minimiser la perte de pression dans le réacteur et expulser l'air contenu dans les fragments de bois. 8 [0078] On notera que l'effort de compression exercée par la vis sur les fragments permet avantageusement d'expulser une partie de l'eau résiduelle présente dans les fragments de bois. [0079] A l'extrémité de la vis 19, les fragments de bois compactés forment un bloc compact qui se disperse dans le réacteur sous l'effet du flux de vapeur. [0080] Les fragments de bois dispersés tombent alors par gravité dans le réacteur en étant ré- chauffés par le flux de vapeur et se déposent sur les fragments qui se sont accumulés avant eux sur le fond du réacteur, où ils continuent à être réchauffés par le flux de vapeur. [0081] Il convient de noter que dans le réacteur 18 le temps de rétention des fragments de bois est contrôlé en fonction du niveau des fragments de bois qui se sont accumulés sur le fond du réacteur. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, il est fixé à 7,5 minutes, ce qui correspond à un facteur de sévérité de 4,08. [0082] Sur le fond du réacteur 18, un racleur monté pivotant sur un axe vertical (non re- présenté sur la figure 1) repousse les fragments de bois vers une vis sans fin 20 permettant d'extraire des fragments de bois du réacteur 18. [0083] Cette vis de décharge 20 pousse les fragments de bois hors du réacteur vers une vanne 21 à ouverture contrôlée. L'ouverture de cette vanne est ajustée en permanence afin de contrôler le débit de fragments de bois extraits du réacteur en continu. [0084] Sous la poussée de la vapeur présente dans le réacteur et/ou de la vis 20, des fragments de bois sont expulsés en continu au travers des ouvertures des vannes 21, à très grande vitesse, dans une ligne de détente 22 et sont entrainés par le flux de vapeur sortant avec ces fragments de bois du réacteur dans la ligne de détente 22 jusqu'à une unité de séparation 23. [0085] On notera que dans la ligne de détente la pression diminue progressivement jusqu'à atteindre une pression d'environ 1,1 bar au niveau du séparateur. Il se produit ainsi une décompression explosive des fragments de bois, du fait d'une re-vaporisation d'une partie de l'eau de condensation présente dans les fragments de bois. Cette expansion brutale de la vapeur d'eau entraîne l'apparition de forces de cisaillement dans l'ensemble des fragments de bois, qui provoque l'éclatement mécanique de la structure de ce dernier. [0086] Dans des variantes de ce mode de réalisation de l'invention, la pression atteinte au niveau du séparateur est égale à 1,2, 1,3, 1,4, ou 1,5 bar. [0087] Dans l'unité de séparation 23, le mélange de fragments de bois et de vapeur pénètre tangentiellement à une pale à rotation rapide. Sous l'effet de la force centrifuge générée par cette pale, les fragments de bois sont projetés dans un conduit de décharge 24, tandis que la vapeur est rejetée hors du séparateur au travers d'une soupape. [0088] Dans une variante de ce mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu de 9 mettre en oeuvre un cyclone mis sous pression pour séparer les fragments de bois de la vapeur résiduelle. [0089] On notera que la vapeur rejetée contient des matières volatiles qui pourront avanta- geusement être hrulés dans une chaudière. [0090] Les fragments de bois projetés dans un conduit de décharge 24 se déversent dans un silo de stockage 25, en vue d'être transformés sous forme de pellets de diamètre sen- siblement égal à 7 millimètres et de longueur moyenne égale à 22 millimètres. [0091] Pour cela ils sont acheminés à l'aide d'un convoyeur à chaine, ou d'un convoyeur pneumatique, vers une presse à granuler 26 où ils sont compactés sous forme de pellets. [0092] Les pellets obtenus sont ensuite dirigés vers un poste de chargement en vrac de camions ou vers un poste d'ensachage-palettisation. [0093] Ces pellets ont un Pouvoir Calorifique Inférieur égal à 5,35 MWh/t et une densité égale à 710 kg/m3. Ils présentent une augmentation en masse de 9,5 % après immersion complète dans un récipient d'eau pendant une heure, puis égouttage pendant 30mn [0094] Dans une variante de cc mode de réalisation particulier de l'invention, les fragments de bois obtenus après séparation peuvent être utilisés directement comme matière combustible dans une chaudière industrielle. [0095] Autre exemple de mode de réalisation de l'invention [0096] On a représenté sous forme de diagramme-bloc les étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'une matière combustible pour four industriel à partir de plaquettes de bois selon l'invention. [0097] Dans une première étape 201, des fragments de bois de plus grande dimension égale à 5 millimètres sont produits à partir de plaquettes de bois de chêne écorcé. Lors de cette étape, les plaquettes de bois sont broyées dans un broyeur humide (étape 2011) puis les fragments de bois obtenus après broyage sont séchés dans un sécheur (étape 2012) jusqu'à ce qu'il présente un taux d'humidité d'environ 22 %. [0098] Dans une étape 202, un volume de 0,32 1113 de fragments de bois séchés est introduit en continu à l'aide d'une vis dans un réacteur sous pression alimenté en vapeur d'eau légèrement surchauffée dont la pression est égale à 19 bars. [0099] Dans le réacteur, les fragments de bois sont exposés à un flux de vapeur d'eau pendant une durée de 8 minutes (étape 203). [0100] Ils sont ensuite extraits en continu au travers d'orifices ou de vannes dans un conduit de détente (étape 204) et transporté dans ce conduit par la vapeur sortant du réacteur jusqu'à un cyclone, où les fragments de bois vont être séparés de la vapeur résiduelle (étape 205). [0101] Les fragments de bois récoltés à la sortie du séparateur sont ensuite séchés jusqu'à ce que leur taux humidité atteigne 10% (étape 206) avant d'être compactés sous forme de pellets (étape 207) destinés à être utilisés comme combustible dans un four industriel. [0102] Autres caractéristiques et avantages de l'invention [0103] Dans des variantes des modes de réalisation de l'invention présentés ci-dessus, il peut également être prévu : [0104] de procéder à une humidification des fragments de bois obtenus après sé- paration afin de faciliter la granulation ; de mettre en oeuvre un réacteur s'étendant horizontalement et des moyens de transport des fragments dans le réacteur entre la zone d'introduction et la zone d'extraction, comprenant par exemple une vis convoyeuse. 11