Brevet FR3095654A1 — publié le 20201106

Description Titre de l'invention : Contrôle du vapocraquage en vue d'améliorer le PCI des granulés noirs 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 CO2 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 qui permet de fournir un matériau à l'épreuve de l'eau pour la production de granulés ou de briquettes. La matière première est en fait explosée à la vapeur, 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 [0005] On connaît dans l'état de la technique le brevet européen EP2373767B1 décrivant un procédé de fabrication discontinu de granulés noirs à partir d'un matériau contenant de la lignine. [0006] Ce procédé comprend les étapes consistant à : [0007] (a) faire passer le matériau contenant de la lignine ayant une teneur en humidité relative de 0 à 20 % en poids dans un réacteur ; [0008] (b) chauffer le matériau contenant de la lignine à 180 à 235 °C en injectant de la vapeur dans le réacteur ; [0009] (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 ; [0010] (d) réduire la pression dans le réacteur en au moins une étape ; et 2 [0011] (c) former le matériau traité pour former des pastilles ou des briquettes. [0012] 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. [0013] On connaît aussi le brevet européen EP1776440 décrivant un procédé de production, également discontinu, de pastilles de combustible à partir d'un matériau biologique, de préférence de la sciure, du bois ou similaire présentant les étapes suivantes : [0014] - 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 ; [0015] - 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 ; [0016] - conserver le matériau dans le réacteur à la température atteinte pendant un temps suffisant pour ramollir le matériau ; [0017] - 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 [0018] - mettre le matériau sous forme de pastilles. [0019] Inconvénients de l'art antérieur [0020] 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. [0021] Par ailleurs, les solutions de l'art antérieur proposent des procédés discontinus, en batch », par des traitements séquentiels de volumes de biomasse, limitant les effets immédiats d'un contrôle des conditions de vapocraquage. [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 préparation en continu d'un matériau pulvérulent présentant un pouvoir calorifique supérieur au pouvoir calorifique de la biomasse initiale comportant une étape de vapocraquage caractérisé en ce que la biomasse initiale est constituée d'éléments de classe de granulométrie compris entre P16 et P100, présentant une humidité inférieure à 27%, directement soumis à un traitement de vapocraquage. Dans un mode de réalisation particulier, la biomasse 3 initiale est constituée d'éléments de classe de granulométrie compris entre P25 et P100. [0024] Selon une variante, le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est supérieur à 3,7 et inférieur à 4,2. [0025] Selon une autre variante, le facteur de sévérité de l'étape dc vapocraquage est piloté en fonction du taux dc carbone dans un échantillon de biomasse vapocraquée. [0026] Selon une autre variante, le facteur de sévérité de l'étape dc vapocraquage est piloté en fonction du taux dc carbone dans les effluents gazeux. [0027] De préférence, le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est piloté en fonction du taux de carbone d'un échantillon de biomasse vapocraquée. [0028] Selon un mode de mise en oeuvre particulier, la sévérité de l'étape de vapocraquage est pilotée par le signal généré par un capteur de pH. [0029] Selon une variante, le pH est ajusté par ajout de chaux, de dioxyde de carbone, ou de formes dissociées de dioxyde de carbone. [0030] L'invention concerne également l'application du procédé de préparation d'un matériau pulvérulent selon l'invention pour la préparation de combustibles granulés. [0031] L'invention concerne aussi une installation de vapocraquage pour la mise en oeuvre de cc procédé. [0032] Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention [0033] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, où la figure unique représente une vue schématique d'une installation de production en continu selon l'invention. [0034] Description d'un exemple de réalisation de l'installation [0035] [fig.1] La figure 1 est un exemple de mode de réalisation d'une installation 10 de va- pocraquage, notamment pour la fabrication d'une matière combustible selon l'invention à partir de biomasse hachée pour présenter une granulométrie comprise entre P16 et P100. [0036] L'installation de vapocraquage est alimentée par de la biomasse constituée d'éléments de classe de granulométrie compris entre P25 et P100, présentant une humidité inférieure à 27%. [0037] La granulométrie est définie par la taille des particules de la fraction principale (P) et la taille de particules définissant la fraction grossière (G). On considère que les particules de moins d'un millimètre appartiennent à la fraction fine. La fraction principale P doit représenter au moins 80 % en masse du combustible. [0038] La fraction grossière G ne doit pas représenter plus de 1 % en masse. La fraction fine ne doit pas dépasser 5 % en masse. [0039] P25 correspond à une granulométrie avec 3.15 mm 63 P100 correspond à une granulométrie avec 3.15 mm 200 mm [0040] On peut déterminer la granulométrie d'un échantillon de plaquettes à l'aide d'un système de tamis oscillants, un tamis rotatif ou un système de mesure par imagerie. [0041] La biomasse fait l'objet d'un déchiquetage avec des outils tranchants (couteaux de broyeurs), et est directement soumise à un traitement de vapocraquage sans humidification ou autre traitement. [0042] Le traitement thermique de la biomasse est réalisé avec de la vapeur légèrement saturée à une température comprise entre 195°C et 215 °C. Le temps de traitement s'établit entre 5 et 30 minutes. [0043] Le Facteur de Sévérité du traitement est défini par la formule : FS=Log10(temps(min)*exp((T°C-100) /14.75)) Plus la température est élevée et plus la durée de traitement est longue, plus la sévérité augmente et plus on constate de transformation dans le produit. [0044] Le Pouvoir Calorifique Infericur sur sec a augmenté en moyenne de 0,7 joules par gramme avec une variation de 0,25 à 2 joules par gramme en fonction de la sévérité du traitement thermique, en partant de 17 à 19 joules par gramme sec de bois initial, soit entre 2 et 12% de gain de PCI, autour de 4 % en moyenne. Suivant la sévérité du traitement thermique, les pertes matières se sont élevées de quelques % à 24%. [0045] Plus la sévérité est élevée, plus la perte est importante et plus le gain de Pouvoir Ca- lorifique Inferieur est fort. Lors du vapocraquage, ce sont essentiellement les hémicelluloses qui sont attaquées. Les principales matières volatiles solubles générées sont le furfural, l'acide acétique et l'acide formique. Ces matières volatiles solubles se retrouvent clans la vapeur sortante (« évaporats »). Suivant le type d'essence expérimenté la nature des condensats varie. Ainsi pour le chêne, c'est le furfural qui est plus important (jusqu'à 60% des COV) alors que pour le pin, c'est l'acide acétique qui est majoritaire (jusqu'à 50% des COV). [0046] Description de l'installation [0047] Cette installation (10) comprend un broyeur à marteaux (il) alimenté en biomasse à l'aide d'une vis sans fin (12). Un séparateur élimine les éléments hors dimensions avant que les plaquettes n'entrent dans le broyeur (11). Dans ce broyeur humide (11), la biomasse est broyée sous la forme de fragments de granulométrie comprise entre P25 et P100. [0048] Le remplissage du silo (13) est assuré par une chargeuse à godet qui prélève la biomasse dans des tas formés sur des zones de stockage au sol. La biomasse se déverse 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). [0049] Un capteur d'humidité contrôle en continu la teneur en humidité la biomasse. Les fragments biomasse 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 biomasse en continu. [0050] Le réacteur (18) est un réacteur sous pression dans lequel on injecte de la vapeur d'eau surchauffée dont la pression est de 18 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. [0051] On notera que dans le réacteur (18) la température de la vapeur est de 203°C et la pression de 16,7 bars. Le silo (17) est en forme d'une ellipsoïde tronquée, afin de faciliter l'écoulement des fragments de biomasse. [0052] Par ailleurs, dans le silo (17), un racleur rotatif permet de pousser les fragments de biomasse vers une vis sans fin d'extraction (19). 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 biomasse 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 biomasse. [0053] On notera que l'effort de compression exercée par la vis sur les fragments de biomasse permet avantageusement d'expulser une partie de l'eau résiduelle présente dans les fragments de biomasse. [0054] A l'extrémité de la vis (19), les fragments de biomasse compactés forment un bloc compact qui se disperse dans le réacteur sous l'effet du flux de vapeur. Les fragments de biomasse dispersés tombent alors par gravité dans le réacteur en étant réchauffés 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. Il convient de noter que dans le réacteur (18) le temps de rétention des fragments de biomasse est contrôlé en fonction du niveau des fragments de biomasse qui se sont accumulés sur le fond du réacteur. Dans ce mode de réalisation particulier de l'invention, il est fixé à 7 minutes, ce qui correspond à un facteur de sévérité de 3,8. Sur le fond du réacteur (18), un racleur monté pivotant sur un axe vertical (non représenté sur la figure 1) repousse les fragments de biomasse vers une vis sans fin (20) permettant d'extraire des fragments de biomasse du réacteur (18). [0055] Cette vis de décharge (20) pousse les fragments de biomasse 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 biomasse extraits du réacteur en 6 continu. Sous la poussée de la vapeur présente dans le réacteur et/ou de la vis (20), des fragments de hiomasse 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 biomasse du réacteur dans la ligne de détente (22) jusqu'à une unité de séparation (23). [0056] 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. 11 se produit ainsi une décompression explosive des fragments de hiomasse, du fait d'une m.-vaporisation d'une partie de l'eau de condensation présente dans les fragments de biomasse. Cette expansion brutale de la vapeur d'eau entraîne l'apparition de forces de cisaillement dans l'ensemble des fragments de hiomasse, qui provoque l'éclatement mécanique de la structure de ce dernier. [0057] Dans l'unité de séparation (23), le mélange de fragments de hiomasse 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 biomasse sont projetés dans un conduit de décharge (24), tandis que la vapeur est rejetée hors du séparateur au travers d'une soupape. [0058] Dans une variante de cc mode de réalisation de l'invention, il peut être prévu de mettre en oeuvre un cyclone mis sous pression pour séparer les fragments de hiomasse de la vapeur résiduelle. On notera que la vapeur rejetée contient des matières volatiles qui pourront avantageusement être brulés dans une chaudière. [0059] Les fragments de biomasse 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 sensiblement égal à 7 millimètres et de longueur moyenne égale à 22 millimètres dans une presse à granuler (26). [0060] Ajustement des conditions de vapocraquage [0061] Le fonctionnement en continu du vapocraqueur permet de réaliser un contrôle en temps réel des conditions opératoires et notamment : [0062] Du facteur de sévérité Du pH de la biomasse. [0063] A cet effet, on peut procéder à une mesure des caractéristiques chimiques des effluents, ou des caractéristiques chimiques de prélèvements solubilisés de la biomasse vapocraquée. [0064] Analyse en temps réel des effluents [0065] La mesure en temps réel des caractéristiques chimiques des effluents permet d'évaluer les pertes en matière de la biomasse vapocraquée, se traduisant par une élévation du taux de carbone dans les effluents. Cette information peut être acquise en temps réel par une sonde infrarouge placée dans le conduit d'évacuation des effluents. 7 [0066] Le signal fournit en temps réel par la sonde est représentatif des variations de taux de carbone dans les effluents. Ce signal est exploité par un calculateur pour modifier les paramètres du vapocraqueur, notamment le taux de sévérité, en fonction d'une fonction prédéterminée par les objectifs visés : par exemple maximisation du PCT. [0067] La sonde permet aussi d'analyser les autres composés organiques, notamment oxygénés, et fournir une information cartographique des composés organiques des effluents en vue de piloter les paramètres de vapocraquage. [0068] Analyse en temps réel de prélèvement de la biomasse vapocraquée [0069] L'installation de vapocraquage peut aussi comporter un système de prélèvement en temps réel d'un échantillonnage de la biomasse vapocraquée, avec une solubilisation de cc prélèvement afin de recueillir des informations sur la composition chimique à l'aide d'une ou plusieurs sondes physico-chimique, par exemple une mesure du pH ou une mesure de la composition en composé organiques. [0070] Ces informations sont ensuite exploitées par un calculateur pour optimiser en temps réel et automatiquement les paramètres de l'installation de vapocraquage. [0071] Application de granulation [0072] Pour la production de combustibles granulés présentant si possible un degré d'humidité inférieur à 10%, l'humidité du produit final, avant granulation, doit être maîtrisée. [0073] A cet effet, la biomasse initiale, avant vapocraquage, présente un taux d'humidité faible, notamment inférieur 14% et de préférence inférieur à 10%. [0074] Alternativement, la biomasse initiale peut être vapocraquée avec un degré d'humidité supérieur à 14%, mais inférieur à 27%. Dans ce cas, une étape de séchage de la biomasse vapocraquée est prévue en aval de l'installation de vapocraquage, avant ou après granulation. 8 REVENDICATIONS[Revendication I] - Procédé de préparation en continu d'un matériau pulvérulent présentant un pouvoir calorifique supérieur au pouvoir calorifique de la biomasse initiale comportant une étape de vapocraquage caractérisé en cc que la biomasse initiale cst constituée d'éléments de classe de granulométrie compris entre P25 et P100, présentant une humidité inférieure à 27%, directement soumis à un traitement de vapocraquage. [Revendication 2] - Procédé de préparation en continu d'un matériau pulvérulent selon la revendication 1 caractérisé en cc que le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est supérieur à 3,7 et inférieur à 4,2. [Revendication 3] - Procédé de préparation en continu d'un matériau pulvérulent selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est piloté en fonction du taux de carbone dans les effluents gazeux. [Revendication 4] - Procédé de préparation d'un matériau pulvérulent selon la reven- dication 1 ou 2 caractérisé en ce que le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est piloté en fonction du taux de carbone dans un échantillon de biomasse vapocraquée. [Revendication 5] - Procédé de préparation en continu d'un matériau pulvérulent selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est piloté en fonction du pH d'un échantillon de biomasse vapocraquée. [Revendication 6] - Procédé de préparation en continu d'un matériau pulvérulent selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le pH est ajusté par ajout de chaux, de dioxyde de carbone, ou de formes dissociées de dioxyde de carbone. [Revendication 7] - Application du procédé de préparation d'un matériau pulvérulent selon l'une au moins des revendications précédentes pour la préparation de combustibles granulés.