Brevet FR3095655A1 — publié le 20201106

Description Titre de l'invention : Mélange de biomasse vapocraquée et de lignine pour la production de granulé Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine de la valorisation de biomasse lignocel- lulosique, notamment pour la production de combustibles de type « granulés noirs » (« black pellets » en anglais) à haut pouvoir calorifique. [0002] La transformation de biomasse lignocellulosique (bois, résidus agricoles, coproduits de l'agriculture et de l'agro-industrie) en un composé dense énergétiquement, transportable et facilement stockable permettrait de développer et consolider une filière industrielle d'énergie stationnaire (biocombustible utilisé en un point fixe, le foyer, contrairement aux biocarburants) et de réduire les impacts environnementaux (émission CO, fossile, avec une biomasse sans fertilisants ni phytosanitaires). [0003] Les granulés noirs sont des cylindres résistant à la dégradation par l'humidité de 1 à 3 cm de long présentant une bonne résistance mécanique permettant un stockage et une manipulation semblable à celle du charbon. Sa combustion génère peu de cendres, avec un pouvoir calorifique inférieur (PCI) proche de de 18 à 20 à joules/gramme de matière sèche. [0004] Les granulés noirs sont produits à partir de biomasse lignocellulosique soumise à un traitement thermique, suivi d'une dépressurisation brutale permettant de fournir un matériau à l'épreuve de l'eau lors de la mise en forme pour la production de granulés ou de briquettes. La matière première est en fait explosée à la vapeur, 100051 ce qui libère des particules plus fines, permettant au matériau d'avoir une cohésion forte lors de la phase d'agrégation ou de moulage. Etat de la technique [0006] On connaît dans l'état de la technique le brevet européen EP2373767B1 décrivant un procédé discontinu de fabrication de granulés noirs à partir d'un matériau contenant de la lignine. [0007] Ce procédé comprend les étapes consistant à : [0008] (a) faire passer le matériau contenant de la lignine ayant une teneur en humidité relative de 0 à 20 % en poids dans un réacteur ; [0009] (b) chauffer le matériau contenant de la lignine à 180 à 235 °C en injectant de la vapeur dans le réacteur ; [0010] (c) maintenir le matériau dans le réacteur à la température atteinte pendant 1 à 12 minutes afin de ramollir le matériau et de libérer de la lignine ; [0011] (d) réduire la pression dans le réacteur en au moins une étape ; et 2 [0012] (c) former le matériau traité pour former des pastilles ou des briquettes. [0013] Le matériau contenant de la lignine est un matériau lignocellulosique, un matériau comprenant du bois, du bambou, de la bagasse, de la paille ou de l'herbe, sous forme de copeaux d'une longueur de 25 mm. La dernière réduction de pression du réacteur a lieu de manière soudaine par explosion de vapeur de sorte que le matériau soit défibré. [0014] On connaît aussi le brevet européen EP1776440 décrivant un procédé de production discontinu de pastilles de combustible à partir d'un matériau biologique, de préférence de la sciure, du bois ou similaire présentant les étapes suivantes : [0015] - amener le matériau à une étape de séchage et sécher le matériau jusqu'à une humidité relative allant de 40-65 pour cent en poids à 30-45 pour cent en poids ; [0016] - amener le matériau issu de l'étape de séchage, éventuellement via une étape inter- médiaire de stockage, jusqu'à une étape de réacteur et pressuriser et chauffer le matériau jusqu'à 200-300°C par amenée de vapeur ; [0017] - conserver le matériau dans le réacteur à la température atteinte pendant un temps suffisant pour ramollir le matériau ; [0018] - réduire la pression de l'étape de réacteur en au moins deux étapes, une première étape de réduction de la pression afin de défibrer le matériau et de libérer la lignine, et une deuxième étape de réduction de la pression afin d'amener le matériau issu de l'étape de réacteur à une étape supplémentaire de séchage, éventuellement via une étape intermédiaire de stockage, et [0019] - mettre le matériau sous forme de pastilles. [0020] Inconvénients de l'art antérieur [0021] Les solutions de l'art antérieur pour produire des granulés noirs (black pellet en anglais) sont prometteuses. Toutefois, elles présentent des limites, notamment la quantité d'énergie apportée par volume de granulé, qui bien que supérieure à la biomasse sous forme de plaquettes ou au granulé blanc ou white pellet, est encore inférieure de 30 à 40% au charbon pour le même volume ou poids. [0022] Solution apportée par l'invention [0023] Afin de remédier à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de valorisation de biomasse comportant une étape de vapocraquage pour produire un produit combustible granulé caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mélange du produit pulvérulent intermédiaire issu du vapocraquage de la biomasse et d'un matériau pulvérulent à haute teneur en lignine, préalablement à ladite étape de granulation. [0024] Avantageusement le procédé de valorisation de biomasse comporte une étape de va- pocraquage pour produire un produit intermédiaire pulvérulent caractérisé en ce qu'il comporte : [0025] - un premier traitement chimique ou biochimique dudit produit intermédiaire pour 3 produire d'une part un composé chimique ou biochimique et d'autre part de la lignine [0026] - un second traitement par granulation d'un mélange dudit produit intermédiaire et de la lignine obtenue au moins en partie par le premier traitement. [0027] Cette solution consiste à exploiter un coproduit naturellement présent dans la hiomasse, la lignine, qui représente 20% à 30% de sa masse, présentant un pouvoir calorifique unitaire supérieur de plus de 50% de la biomasse initiale, et de nombreuses propriétés d'hydrophohicité et de cohésion, pour enrichir les granulés noirs sans apport de constituants énergétiques additionnels à la hiomasse. [0028] On entendra au sens du présent brevet par « matériau à haute teneur en lignine » un matériau contenant au moins 50% de lignine. [0029] Avantageusement, le procédé comporte une étape de mélange de matériau en lignine vapocraquéc et de matériau à haute teneur en lignine provenant d'un second traitement, avant ladite étape de granulation. [0030] Selon un exemple de réalisation, ledit matériau à haute teneur en lignine est un coproduit solide de teneur supérieure au taux de lignine contenu dans la hiomasse. [0031] Selon un exemple de mise en oeuvre particulier, ledit matériau à haute teneur est une lignine coproduit du traitement de liqueur noire des industries papetières. [0032] De préférence, on mélange 2 à 30% de matériau à haute teneur en lignine à une quantité complémentaire de hiomasse vapocraquéc. [0033] L'invention concerne aussi une installation de valorisation de la hiomasse constituée par un vapocraqueur, un poste de granulation et un poste de transformation d'une partie (lesdits produits vapocraqués pour produire de la lignine, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation dudit poste de granulation avec une partie des produits vapocraqués et une partie au moins de la lignine produite par ledit poste de transformation. [0034] Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention [0035] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où : [0036] [Fig. 1]La figure 1 représente une vue schématique de l'invention. [0037] Principe général de l'invention [0038] La figure 1 représente le schéma de principe d'une installation pour la mise en oeuvre de l'invention. [0039] Il met en oeuvre un procédé de production de pastilles ou briquettes (aussi appelées black pellets ») à partir de biomasse contenant de la lignine, comprenant les étapes consistant à : [0040] (a) prétraiter la biomasse (1) dans un équipement (10) pour procéder à une réduction en particules de quelques centimètres cubes, et éventuellement procéder à un séchage partiel, pour présenter la forme de poussière, sciures, copeaux, éclats, copeaux de cellulose, écailles, rognures ou chutes. [0041] (h) faire passer la biomasse ainsi prétraitée dans un réacteur (20) pour chauffer les particules de hiomasse dans à une température de 180 à 235 °C en injectant de la vapeur (21) dans le réacteur (20). Une première chambre d'alimentation (22) entraine la hiomasse vers une chambre de réaction (20) contenant une vis sans fin ou permettant le passage par gravité et entraînant la matière hydrolysée dans le réacteur à la température atteinte pendant 1 à 12 minutes afin de ramollir le matériau et de libérer de la lignine, jusqu'à une zone de sortie (23) munie d'une vanne (24), permettant l'extraction de la hiomasse vapocraquée après passage dans une zone de moindre pression. [0042] Optionnellement une partie des effluents gazeux (25) sont récupérés pour une valo- risation additionnelle. [0043] On procède à la sortie de ce réacteur (20) à une séparation, une partie de la hiomasse vapocraquée étant introduite dans un second réacteur (30) assurant un traitement pour extraire des composés à valeur ajoutée, par exemple des sucres polymériques (cellulose et hémicellulosc) ou des sucres tels que le glucose ou le xylosc, et d'autre part un coproduit riche en lignine. [0044] Ce coproduit riche en lignine est mélangé avec la hiomasse vapocraquée dans un mélangeur (40), puis compressé dans une pression de granulation (50) pour former des granulés de combustible riche en lignine. [0045] Le traitement de vapocraquage a pour effet de déstructurer la matrice des fibres de biomasse ce qui permet la libération plus aisée de monosaccharides fermentescibles. [0046] Il provoque la séparation de la fraction hémicellulosique qui permet d'augmenter l'accessibilité de la fraction cellulosique en créant de larges pores au sein de la structure fibreuse, avec pour conséquence les réactions d'hydrolyse. Il favorise également la réduction de la cristallinité de la cellulose. Différentes études montrent que les traitements thermochimiques ont tendance à augmenter l'indice de cristallinité de la fraction cellulosique, avec pour conséquence une diminution de l'accessibilité du substrat. [0047] Enfin, l'accès aux fibres de cellulose est fortement restreint par la présence de lignine, matrice qui entoure la fraction cellulosique. L'élimination de cette dernière est indispensable pour la réalisation des opérations d'hydrolyse. [0048] L'installation prévoit également la possibilité d'introduire de la lignine provenant d'un site de production distant dans le mélangeur (40) pour enrichir la matière vaprocraquée en lignine. [0049] Le but est de produire des combustibles granulés présentant un pouvoir calorifique au moins égal à 5300 kWh/tonne, pour une biomasse initiale à 5000 kWh/tonne. [0050] Le vapocraquage augmente ce pouvoir calorifique en extrayant les molécules volatiles oxygénées pauvres en énergie du résidu solide qui augmente arithmétiquement son pouvoir calorifique, pour atteindre 5200 à 5400 kWh/tonne dans des conditions économiques acceptables. L'ajout de lignine provenant de coproduit d'une deuxième réaction et présentant un pouvoir calorifique de 7500 kWh/tonne, à hauteur d'environ 2% à 30% en poids permet d'augmenter les qualités des granulés. [0051] Ajout de lignine coproduit de liqueur noire [0052] La lignine mélangée à la biomasse vapocraquée est, selon une variante avantageuse, récupérée à partir des coproduits du traitement de liqueur noire produit dans l'industrie papetière, pour former une phase de lignine liquide. [0053] Trois méthodes de récupération de la lignine à partir de liqueur noire utilisée dans la fabrication du papier sont habituellement utilisées. La première méthode, mise en oeuvre dans les années 1940 à proximité d'une usine kraft hôte située à Charleston (Caroline du Sud), permet de produire de la lignine en poudre présentant l'inconvénient d'une haute teneur en sel. Le sel crée des problèmes de concentration élevée de cendres dans les fours. De plus, des teneurs élevées en cendres peuvent affecter négativement les propriétés des applications de chimie verte contenant de la lignine. Néanmoins, un mélange de 2 à 5% de cette lignine avec le résultat du vapocraquage permet d'enrichir le pouvoir calorifique sans inconvénients notables. [0054] La deuxième méthode, mise au point depuis les années 1990, est utilisée dans une usine de pâte hôte à Plymouth (Caroline du Nord). Cette seconde méthode produit de la lignine à faible teneur en sel pouvant être utilisée comme carburant. Une troisième méthode, mise au point au cours des dix dernières années, commence par l'installation de production dans une usine de pâte à papier à Hinton, en Alberta. [0055] Les trois technologies utilisent l'acide sulfurique comme acide fort, qui produit des taux importants de sulfate de sodium sous forme de flux de saumure. Pour récupérer le sodium, le sulfate de sodium doit être incorporé dans le système de récupération du broyeur hôte, en ajoutant à la charge en soufre. Un procédé à la lignine est nécessaire pour ajouter zéro soufre au broyeur hôte. [0056] L'élimination d'une fraction (jusqu'à 30%) de la lignine des liqueurs noires permet aux usines de pâtes et papiers qui ont atteint le débit maximal de leurs chaudières de récupération d'augmenter leur production de la même fraction de lignine retirée et injecté dans le mélangeur (40) pour améliorer les qualités calorifiques de la biomasse vapocraquée. 6 REVENDICATIONS[Revendication 1] - Procédé de valorisation de biomasse comportant une étape de vapo- craquage pour produire un produit combustible granulé caractérisé en cc qu'il comporte une étape de mélange du produit pulvérulent intermédiaire issu du vapocraquage de la biomasse et d'un matériau pulvérulent à haute teneur en lignine, préalablement à ladite étape de granulation. [Revendication 2] - Procédé de valorisation de biomasse selon la revendication 1 ca- ractérisé en cc qu'il comporte une étape de vapocraquage pour produire un produit intermédiaire pulvérulent et en ce qu'il comporte : - un premier traitement chimique ou biochimique dudit produit intermédiaire pour produire d'une part un composé chimique ou biochimique et d'autre part un matériau à haute teneur en lignine - un second traitement par granulation d'un mélange dudit produit intermédiaire et du matériau à haute teneur en lignine obtenu au moins en partie par le premier traitement. [Revendication 3] - Procédé de préparation de granules à haut pouvoir calorifique comportant une étape de préparation de poudre par vapocraquage suivi par une étape de granulation caractérisé en ce qu'il comporte une étape de mélange de matériau en lignine vapocraquée et de matériau à haute teneur en lignine provenant d'un second traitement, avant ladite étape de granulation. [Revendication 4] - Procédé de préparation de granules à haut pouvoir calorifique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau à haute teneur en lignine est un coproduit solide de teneur supérieure au taux de lignine contenu dans la biomasse. [Revendication 5] - Procédé de préparation de granules à haut pouvoir calorifique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau à haute teneur est une lignine coproduit du traitement de liqueur noire des industries papetières. [Revendication 6] - Procédé de préparation de granules à haut pouvoir calorifique selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'on mélange 2 à 30% de matériau à haute teneur en lignine à une quantité complémentaire de biomasse vapocraquée. [Revendication 7] - Installation de valorisation de la biomasse constituée par un vapo- craqueur (20), un poste de granulation (50) et un poste de transformation (30) d'une partie desdits produits vapocraqués pour produire de la lignine, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation (40) dudit poste de granulation (50) avec une partie des produits vapocraques et une partie au moins de la lignine produite par ledit poste de transformation (30).