Brevet FR3134811A1 — publié le 20231027

La présente invention concerne le domaine de la valorisation des coproduits obtenus lors production de combustibles de type « granulés noirs » (« black pellets » en anglais) à haut pouvoir calorifique à partir de biomasse lignocellulosique. Plus précisément l’invention concerne un procédé d’optimisation et de valorisation de l’obtention de furfural lors d’un procédé de vapocraquage. PROCEDE D’OPTIMISATION DE LA PRODUCTION DE FURFURAL LORS DE VAPOCRAQUAGE DE BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE La présente invention concerne le domaine de la valorisation des coproduits obtenus lors de la production de combustibles de type « granulés noirs » (« black pellets » en anglais) à haut pouvoir calorifique à partir de biomasse lignocellulosique. Plus précisément, l’invention concerne un procédé d’optimisation des paramètres de vapocraquage permettant l’obtention d’un ratio plus important de furfural lors d’un procédé de vapocraquage. Domaine de l’invention 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). Les granulés noirs sont des cylindres résistants 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. Leur combustion génère peu de cendres, avec un pouvoir calorifique inférieur (PCI) proche de 18 à 20 joules/gramme de matière sèche. Les granulés noirs sont produits à partir de biomasse lignocellulosique soumise à un vapocraquage. Cela consiste en 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, ce qui libère des particules plus fines, permettant au matériau d’avoir une cohésion forte lors de la phase d’agrégation ou de moulage. Le traitement hydrothermique, aussi appelé fractionnement aqueux, solvolyse, hydrothermolyse, diffère du vapocraquage, ou, en ce qu’il consiste à utiliser de l’eau à haute température et à haute pression afin de promouvoir la désintégration et la séparation de la matrice lignocellulosique. Cette technique n’est pas adaptée à la production de granulés noirs puisque les produits obtenus sont majoritairement liquides. La pyrolyse est la décomposition chimique d’un composé organique par chauffage intense en absence d’oxygène. Les composés obtenus après pyrolyse diffèrent dans leurs caractéristiques de ceux obtenus par vapocraquage. Le vapocraquage ne peut être assimilé à une technique de pyrolyse en ce qu’il emploie une explosion à la vapeur et se fait en présence d’oxygène. Il faut également différencier les procédés de torréfaction qui se caractérisent par un traitement thermochimique compris entre 100 et 300°C permettant de modifier une partie de la matière organique pour casser les fibres tout en éliminant l’eau. Le procédé existant de vapocraquage permet de produire une poudre de biomasse lignocellulosique, sèche, prétraitée, sans additif chimique, stable et viable économiquement pour des commodités comme l’énergie, a fortiori viable pour des produits à plus haute valeur ajoutée. Il est connu de l’homme du métier que les procédés de traitement, tel que le vapocraquage, permettent l’obtention de produits intermédiaires à haute valeur ajoutée. Il est par exemple, connu de l’homme du métier que des molécules d’intérêts peuvent se former sous l’effet thermique du vapocraquage et peuvent être extraites par lavage. La demande de brevet WO2021167511A1, décrit un procédé et un système de récupération d'énergie et de produits chimiques à partir d'un réacteur d'explosion à la vapeur dans une bioraffinerie. Il divulgue notamment un procédé dans lequel le furfural coproduit est récupéré. Les méthodes connues de l’art antérieur proposent des procédés de récupération de molécules d’intérêt coproduites. Toutefois il existe le besoin d’obtenir un procédé ne permettant pas seulement la récupération des molécules produites fortuitement lors du procédé de vapocraquage mais a contrario d’optimiser spécifiquement la production desdites molécules d’intérêt tout en maintenant des paramètres adaptés à l’obtention de granulés noirs. Les inventeurs proposent un procédé de production de granulés vapocraqués dont les paramètres sont orientés pour optimiser la production de furfural grâce à des réactions autocatalysées, telles que la déshydratation. Lesdites réactions autocatalysées sont notamment produites et améliorées grâce à un vapocraquage en milieu sec. Le procédé proposé possède des paramètres spécifiques en termes de drasticité (temps de séjour, température), accès au substrat (granulométrie, humidité) ou de composition des matières premières (plus de xylose chez les feuillus que chez les résineux, plus d’acidité chez le chêne que chez d’autres feuillus) permettant une optimisation de la production de furfural. Le furfural produit lors de l’étape de vapocraquage peut ensuite être récupéré dans les gaz résiduels par condensation et/ou dans la poudre par lixiviation par la vapeur ou par extraction avec un solvant. Ainsi, l’invention consiste donc en un procédé de production de granulés par vapocraquage de biomasse lignocellulosique optimisé pour améliorer la production d’un produit intermédiaire telle que le furfural comprenant les étapes de : disposer d’une biomasse lignocellulosique présentant un taux d’humidité compris entre 5 et 27% traiter ladite biomasse par vapocraquage à une pression comprise entre 10 et 25 bars, et préférentiellement entre 16 et 19 bars, pendant 3 à 20 minutes une température est comprise entre 203 et 208°C et un facteur de sévérité compris entre 3,5 et 4,5, et préférentiellement entre 4,0 et 4,2 jusqu’à obtention d’une poudre récupérer le furfural dans les gaz résiduels et/ou dans la poudre par lixiviation par la vapeur ou par extraction avec un solvant. Avantages de l’invention Le procédé selon l’invention propose de manière tout à fait innovante une double production : la production optimisée de furfural en même temps que celle de granulés biocombustibles. Grâce à ce procédé il est possible de réduire les coûts de production en revalorisant des molécules produites sous l’effet thermique du vapocraquage et extractibles par lavage, distillation ou autres. D’une part, le procédé présente de manière avantageuse l’optimisation de la production de Furfural. Le marché mondial du furfural était évalué à 551 M$ en 2019 et devrait atteindre 820 M$ d'ici 2027, à un taux de croissance de 5,1% au cours de la période de prévision. Sur une base de 1000 à 2000 $/T, cela représente à l’heure actuelle 275 à 550 kTA, pour atteindre 410 à 820 kTA en 2027. L’expansion de ce marché s’explique de différentes manières : la volatilité des prix de la pétrochimie, l'épuisement des ressources fossiles et les préoccupations environnementales croissantes. Le furfural est une importante matière première chimique renouvelable, non pétrosourcée. Il peut être converti par une gamme de réductions catalytiques en une variété de solvants, polymères, carburants et autres produits chimiques. La part principale du marché du furfural est le segment d'application de l'alcool furfurylique qui est l'application prédominante : 88% du furfural produit est converti en alcool furfurylique, lié à la production de résines de fonderie. Le furfural en tant que solvant est la deuxième plus grande application du furfural dans le monde, dans le raffinage des huiles de lubrification, l'extraction du butadiène et différents procédés d'extraction chimique. Le furfural est aussi utilisé pour fabriquer du tétrahydrofurane (THF), spécialité chimique précurseur d'une large gamme de synthèses chimiques. La croissance rapide de l'industrie de la construction devrait augmenter encore la demande de furfural de par son utilisation dans divers matériaux réfractaires tels que les composites en fibre de verre, la céramique et les briques dans un avenir proche. S’agissant des matières premières, plus de 50% des parts de marché venaient du xylose contenu dans la bagasse de canne à sucre, la plus grande part du marché en 2017, suivi du xylose de la rafle de maïs. A ce jour, il n’existe pas de procédé à taille et réalité industrielle de transformation de la biomasse lignocellulosique en molécules à haute valeur ajoutée, ayant une réalité technique à grande échelle et une viabilité économique, et un bon bilan environnemental, sans risques. Les molécules issues de la biotechnologie (enzymes, microorganismes) sont quasiment les seules valorisations chimiques à ce jour sur base lignocellulosique. Bien que la récupération de furfural lors d’un procédé de vapocraquage soit connue de l’art antérieur, il n’existe pas de procédé permettant d’optimiser spécifiquement sa production et sa récupération tout en maintenant la production de granulés de bonne qualité. D’autre part, le procédé permet, de manière avantageuse, simultanément la production optimisée de furfural, et la production de granulés biocombustibles, ce qui rend le procédé économiquement viable. Certains procédés de préparation de granulés nécessitent l’utilisation de produits chimiques de synthèse. Or ces produits chimiques sont à la fois source de pollution atmosphérique par leur production ou leur fin de vie, mais aussi de toxicité. De plus, l’absence de produit chimique de synthèse dans le produit fini, à savoir les granulés biocombustibles, évite le relargage de produits toxiques lors de son utilisation : pas de contamination des espaces fermés. Par ailleurs, l’absence d’eau ou sa diminution drastique pour le vapocraquage et le pressage lors de la fabrication des granulés biocombustibles (étape de densification) réduit les coûts énergétiques (moindre chauffage) et les effluents gazeux ou liquides. L’utilisation de biomasse (bois notamment) vapocraquée, qui amène des capacités naturelles de cohésion pour la préparation des granulés noirs permet de réduire les impacts environnementaux (peu ou pas de produits chimiques, procédés de pressage sans eau et avec moins d’énergie). Procédé de vapocraquage à partir de biomasse lignocellulosique optimisé pour la production et la récupération du Furfural comprenant les étapes de : disposer d’une biomasse lignocellulosique présentant un taux d’humidité compris entre 5 et 27% traiter ladite biomasse par vapocraquage à une pression comprise entre 10 et 25 bars, une température est comprise entre 203 et 208°C et un facteur de sévérité compris entre 3,5 et 4,5 jusqu’à obtention d’une poudre récupérer le furfural dans les gaz résiduels par condensation, dans la poudre par lixiviation, par la vapeur ou par extraction avec un solvant. Procédé de vapocraquage selon la revendication 1, dans lequel la matière première est majoritairement des bois de feuillus et des bois de résineux riches en xylose. Procédé de vapocraquage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le temps de séjour de ladite biomasse dans l’enceinte de vapocraquage est compris entre 7 et 15 minutes. Procédé de vapocraquage selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la température à l’étape de vapocraquage est compris entre 206 et 208°C. Procédé de vapocraquage selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel le facteur de sévérité est compris entre 4,05 et 4,15. Procédé de vapocraquage selon l’une des revendications précédentes dans lequel au moins une partie de la poudre obtenue à l’étape de vapocraquage est utilisée pour la récupération du furfural. Procédé de vapocraquage selon l’une des revendications précédentes dans lequel on obtient un rendement de furfural supérieur à 1% de poids de furfural par poids de matière sèche lignocellulosique. Utilisation d’une poudre vapocraquée obtenue par le procédé selon l’une des revendications 1 à 7, pour la production de granulé vapocraqué apte à être utilisé comme biocombustible. Utilisation de furfural obtenue par le procédé selon l’une des revendications 1 à 7, en tant que précurseur pour la production d’au moins un des produits suivants : solvants, polymères, carburants.