Brevet FR3109941A1 — publié le 20211112

L’invention a trait au domaine des biocombustibles solides par vapocraquage d’une biomasse ligno-cellulosique. Plus particulièrement, elle concerne un procédé de production de granulés noirs dans lequel la granulation est mise en œuvre à une humidité comprise entre 10 et 27%. PROCEDE DE PRODUCTION DE GRANULES NOIRS AMELIORE PAR GESTION DU TAUX D’HUMIDITE LORS DE LA GRANULATION L’invention a trait au domaine des biocombustibles solides par vapocraquage d’une biomasse ligno-cellulosique. Plus particulièrement, elle concerne un procédé de production de granulés noirs dans lequel la granulation est mise en œuvre à une humidité comprise entre 10 et 27%. La production d’énergie (électrique et thermique) d’origine renouvelable peut se faire à partir de l’environnement (soleil, vent, marée, houle, géothermie, hydraulique) ou à partir de biomasse. La biomasse, l’hydraulique de rivière ou de barrage, et la géothermie sont les seules énergies dont on peut disposer en continu. Les autres énergies renouvelables sont intermittentes à défaut de moyens de stockage de l’énergie générée. La biomasse constitue la seule énergie primaire transportable sur son lieu de transformation en chaleur et/ou électricité. Mais elle est en fait une énergie peu dense, variable et périssable. 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 permet 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 2 fossile, avec une biomasse sans fertilisants, ni phytosanitaires). Le traitement thermique de la biomasse par vapocraquage permet cette densification de l’énergie, en homogénéisant la biomasse en une poudre vapocraquée selon des conditions paramétriques précises, notamment de granulométrie, température et temps de séjour. La poudre est ensuite granulée pour faciliter son transport, son stockage et son usage. Il s’agit donc de s’assurer que le procédé de granulation est en mesure d’assurer un produit constant et de qualité, présentant un pouvoir calorifique et un comportement mécanique apte à être stocké, transporté et utilisé en chaudière, avec les meilleures caractéristiques de résistance mécanique et à l’eau, de réduction de formation de poussières (fines) à la manutention, de siccité pour assurer un bon pouvoir calorifique et une bonne combustion, et une stabilité dans le temps et au stockage (pas d’auto-échauffement de fermentation, de dégagement gazeux etc…) La granulation par passage de la poudre vapocraquée en presse à granuler permet de former des granulés noirs denses et résistants. En effet, le granulé noir de feuillu présente une densité apparente de 650 à 750 g/L, avec une résistance mécanique (durabilité) de 98,5% et un PCI/brut >5,0 kWh/kg pour moins de 10% d’humidité (égale ou très proche de 10% usuellement). Il a une résistance à l’immersion qui lui permet de capter de manière réversible moins de 10% de son poids en eau sans modification notable de sa durabilité après séchage. Classiquement, pour le granulé blanc, la sciure de résineux affinée et compressée produit des granulés entre 6, 8 et 10 mm de diamètre, 2 à 5 cm de longueur, d’une densité apparente de 600 à 650 g/L, avec une résistance mécanique (durabilité) de 97,5% et un PCI/brut de 4,9 kWh/kg pour moins de 8% d’humidité (entre 5 et 8% usuellement). Le granulé blanc n’a cependant aucune résistance à l’eau (il se délité entièrement dans l’eau en moins de 5 minutes). Le granulé noir présente donc des avantages par rapport au granulé blanc, si ce n’est que son procédé de production en plus coûteux, notamment en énergie. En particulier, l’humidité résiduelle du granulé noir nuit à son PCI/brut, mais est nécessaire pour une bonne granulation, plus que pour le granulé blanc. Pour limiter l’effet négatif de l’humidité sur la capacité énergétique du granulé noir, la poudre vapocraquée peut être granulée à plus basse humidité (entre 5% et 8%). Toutefois, il a été montré par des essais de granulation réalisés sur de la poudre de bois après vapocraquage en particulier sur les espèces de feuillus durs, que la granulation était incomplète et présentait plusieurs défauts : Granulés non lisses présentant de nombreuses aspérités entrainant une perte de durabilité ; Granulés non complètement formés avec pour conséquence qu’une partie de la matière reste accrochée dans les trous de la filière de la presse à granuler ; Manque de densité apparente (moins 15 à 20% par rapport aux objectifs de 650 à 750 g/l). La maitrise du taux d’humidité apparait donc comme un paramètre important du procédé de production de granulés noirs à haut pouvoir calorifique et présentant une bonne résistance mécanique. Dans d’autres secteurs comme celui du granulé blanc, on peut améliorer la granulation par ajout d’additif (amidon par exemple ou farines ou minéraux). Mais le surcoût, la gêne à la combustion, l’usage de produit alimentaire, n’est pas en ligne avec les attendus des utilisateurs de granulés noirs. Il existe donc un besoin d’améliorer l’étape de granulation des granulés noirs pour renforcer la qualité des produits obtenus. Les inventeurs ont mis en évidence que la granulation est meilleure lorsque la poudre vapocraquée est humide. Ainsi, la présente invention concerne un procédé de granulation de biomasse vapocraquée consistant à : introduire dans le granulateur ladite masse vapocraquée à un taux d’humidité compris entre 10% et 27%, procéder à une humidification avant le traitement de granulation si le taux d’humidité de ladite biomasse vapocraquée est inférieur à une valeur seuil comprise entre 10% et 27%, procéder à la granulation, procéder, après granulation à un séchage pour réduire l’humidité des granulés à un taux inférieur ou égal à 10%. L’invention propose donc de granuler la poudre de biomasse vapocraquée dans des conditions d’humidité non usuelles, afin de mieux réussir le conditionnement des granulés en leur donnant les propriétés attenues de tenue mécanique, de cohésion, de résistance à l’eau et de pouvoir calorifique accru. Avantages de l’invention De manière tout à fait inattendue, les inventeurs ont montré que la granulation de la biomasse vapocraquée est de meilleure qualité lorsqu’elle est réalisée avec un taux d’humidité d’au moins 10%, compris de préférence entre 10 et 27%. Au contraire, l’enseignement de l’art antérieur incite l’homme du métier à granuler très sec. Ici on ne sèche que les granulés, à la fin du procédé. Il s’agit donc de mieux maîtriser la granulation, par ajout d’eau ou de vapeur. L’ajout de vapeur d’eau à la poudre vapocraquée produit trois effets intéressants : le chauffage modifie le comportement rhéologique de la poudre, et entraine éventuellement aussi une modification chimique (cuisson, solubilisation, réticulation), et l’humidifie par apport d’eau venant de la condensation de la vapeur. Les essais ont montré, de manière contre-intuitive pour l’homme du métier, l’intérêt d’augmenter l’humidité totale de la poudre vapocraquée du granulé noir entre 10% et 27%, alors que sur la sciure affinée du granulé blanc, cet ajout n’a pas d’effet, voire un effet négatif. Si la recherche d’une certaine humidité par l’ajout d’eau ou de vapeur pendant le procédé peut paraitre aller a priori à l’encontre des besoins d’obtenir des granulés dont le taux d’humidité est bas (typiquement compris entre 6% et 10%), elle permet de moins sécher la biomasse en amont du vapocraquage, donc de réduire les besoins énergétiques en début de procédé. De plus, si le coût énergétique lié au vapocraquage en conditions humides est un peu plus élevé, on gagne en efficacité de granulation et l’on obtient un granulé présentant une résistance mécanique accrue. Le procédé doit être considéré dans sa globalité du point de vue de son bilan énergétique et de la qualité des granulés produits. Ici, le procédé est donc avantageux dans sa globalité, puisque la quantité d’eau à évaporer est la même au total et que le granulé obtenu présente une résistance accrue ouvrant le champ à l’élargissement du marché actuel et à de nouveaux marchés. La maîtrise de la granulation est acquise et a montré l’intérêt de la gestion de l’eau / vapeur pour la granulation, selon les poudres vapocraquées choisies (feuillues ou résineux) et quel que soit le système de chauffage choisi. Le problème de l’augmentation du coût lié à l’introduction de nouveaux investissements et coûts opératoires d’humidification et de séchage peut être résolu en limitant l’ajout d’eau par optimisation (en choisissant à quelles poudres vapocraquées on l’applique par exemple), et en utilisant les silos comme zone de séchage. De plus, le taux d’humidité constitue un nouveau paramètre permettant de maitriser la qualité du granulé obtenu donc d’être en mesure d’assurer de manière constante une qualité élevée de granulés. DESCRIPTION DETAILEE DE L’INVENTION L’invention concerne un procédé de granulation de biomasse vapocraquée consistant à : introduire dans le granulateur ladite masse vapocraquée à un taux d’humidité compris entre 10% et 27%, procéder à une humidification avant le traitement de granulation si le taux d’humidité de ladite biomasse vapocraquée est inférieur à une valeur seuil comprise entre 10% et 27%, procéder à la granulation, procéder, après granulation, à un séchage pour réduire l’humidité des granulés à un taux inférieur ou égal à 10%. La granulation de biomasse vapocraquée en conditions d’humidité comprise entre 10% et 27% produit un granulé noir de meilleure qualité. Dans un mode de réalisation préférée de l’invention, le taux d’humidité de ladite biomasse vapocraquée entrant dans le granulateur est compris entre 10% et 15% avec ou sans humidification préalable. Elle peut par exemple être comprise entre 10 et 12% ou entre 13% et 15%. Lorsque le taux d’humidité de la biomasse vapocraquée est inférieure à un taux défini, choisi entre 10% et 27%, on humidifie la biomasse avant granulation. Cette humidification peut être réalisée par injection de vapeur ou par pulvérisation d’eau sur la surface de la biomasse. Elle peut également être réalisée par injection d’eau ou de vapeur dans le malaxeur alimentant le granulateur. On peut avantageusement utiliser une partie des vapeurs usées issues du vapocraquage (évaporats) pour humidifier la biomasse (jusqu’à 27%). On récupère ainsi une partie de la matière sèche perdue dans le procédé sous forme de COV, et on économise de l’eau et on traite une partie des condensats. Par « biomasse vapocraquée », on entend une biomasse lignocellulosique soumise à un traitement thermique sous pression, suivi d’une dépressurisation brutale qui permet d’exploser les fibres et de produire une poudre. La qualité de la poudre (granulométrie, couleur, texture…) dépend des conditions de sévérité appliquées pendant le traitement (pression, température et durée). A titre d’exemple, le traitement thermique de la biomasse peut être 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. 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. L’homme du métier saura adapter la sévérité en fonction de la biomasse initiale et du rendu souhaité. Dans un mode de réalisation préféré, aucun additif (coûteux ou non souhaité) n’est ajouté à la biomasse avant granulation. Après mélange et homogénéisation de la poudre vapocraquée, la granulation est effectuée dans une presse à granuler. La presse doit être très comprimante afin que le produit ressorte de la presse avec une masse volumique supérieure à 700 g/L, voire à 750 g/L. A ce moment, l’humidité du granulé se situe entre 10 et 27%, de préférence entre 10% et 15%. Il doit être séché pour assurer une bonne qualité et notamment un bon pouvoir calorifique. Le séchage peut être réalisé de différentes façons : o dans un séchoir vertical (caisson) ou horizontal (séchoir à tapis) à air sec et chaud (environ 100°C). Un échangeur eau /air peut être utilisé. o par un séchage naturel en extérieur o par ventilation de plusieurs jours en cellule de stockage avec un air dont l’humidité est maitrisée. Quelque soit le moyen de séchage utilisé, le granulé final doit avoir un taux d’humidité compris entre 6% et 10%, de préférence entre 6% et 8%. La gestion de l’humidité tout au long du procédé nécessite des outils supplémentaires par rapport à un procédé classique. En effet, dans un procédé classique, l’humidité est réglée une fois pour toute par un sécheur avant broyage-affinage pour les granulés blancs et avant vapocraquage pour les granulés noirs. Le fait de réhumidifier impose de pouvoir contrôler l’humidité au vapocraquage (une partie de la vapeur peut condenser et augmenter l’humidité ou au contraire « flasher » et diminuer l’humidité) ou à la granulation (qui se déroule à chaud sous pression, une partie de l’eau se vaporise plus ou moins). Il faut donc disposer un sécheur-finisseur après granulation pour terminer à l’humidité attendue par le client. Pour permettre la mise en œuvre du procédé précédemment décrit, l’installation comprenant l’unité de vapocraquage et l’unité de granulation doit également comprendre : des capteurs d’humidité situés en amont de l’unité de granulation afin de mesurer le taux d’humidité de la biomasse vapocraquée ; des injecteurs de vapeur ou des vaporisateurs d’eau situés entre l’unité de vapocraquage et l’unité de granulation, associés à des moyens de contrôle du débit pour atteindre le taux d’humidité souhaité ; des systèmes de séchage positionnés en sortie de granulateur et des capteurs d’humidité dynamique situés au niveau des refroidisseurs/tamiseurs ou dans les silos de stockage de sorte à pouvoir sécher les granulés par déshydratation du au renouvellement de l’air ambiant. Les utilisateurs de ce procédé sont notamment les industriels qui cherchent à optimiser la production de biocombustibles sous forme de granulés noirs en standardisant le produit final à l’humidité (donc au PCI, durabilité et résistance à l’eau souhaités). EXEMPLES Plusieurs essais ont été réalisés après ajout d’eau et maturation de plusieurs heures avec une humidité finale de la poudre située entre 15 et 25 %. Ils ont permis de fabriquer des granulés bien formés et de bonne qualité mais dont l’humidité finale se situait entre 13 et 18%. L’humidité finale désirée sur le granulé doit se situer entre 5 et 8%. Une étape de séchage doit donc être réalisée après granulation. V ariante N°1 Après vapocraquage et homogénéisation, la granulation humide est réalisée à faible compression afin de fabriquer des mini-granulés humides qui se tiennent (presse horizontale type Kahl par exemple). Puis on effectue un séchage dans un séchoir à lit fluidisé. L’air chaud est produit à partir d’un échangeur eau chaude /air. Puis on termine par une granulation classique à humidité inférieure à 10%. V ariante N°2 Le vapocraquage est réalisé avec une teneur en eau de la matière première comprise entre 8% et 12%. La matière vapocraquée est ensuite humidifiée entre 12% et 27% d’humidité. La durée de maturation peut être de plusieurs heures. Ensuite ont lieu la granulation et le séchage selon procédé et la variante n°1. Procédé de granulation de biomasse vapocraquée consistant à : introduire dans le granulateur ladite masse vapocraquée à un taux d’humidité compris entre 10% et 27%, procéder à une humidification avant le traitement de granulation si le taux d’humidité de ladite biomasse vapocraquée est inférieur à une valeur seuil comprise entre 10% et 27%, procéder à la granulation, procéder, après granulation, à un séchage pour réduire l’humidité des granulés à un taux inférieur ou égal à 10%. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le taux d’humidité de ladite biomasse vapocraquée entrant dans le granulateur est compris entre 10% et 15% avec ou sans humidification préalable. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite humidification est réalisée par injection de vapeur ou d’eau par pulvérisation sur la surface de la biomasse. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2 dans lequel ladite humidification est réalisée par injection d’eau ou vapeur dans le malaxeur alimentant le granulateur. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on utilise une partie des vapeurs issues du vapocraquage (évaporats) pour humidifier la biomasse. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel l’humidité desdits granulés est réduite à un taux compris entre 6% et 10%. Procédé selon la revendication 6 dans lequel l’humidité desdits granulés est réduite à un taux compris entre 6% et 8%.