Brevet FR3138145A1 — publié le 20240126

Dispositif de production de granulés de coques d’arachides. Agro combustible Manden® Manden® est un agro pellet haute performance de la norme NF ISO 17225-2 à 6 L’agro pellet Manden® est une alternative aux pellets de bois. L’agro pellet Manden® est un bio combustible pouvant être utilisé dans les unités de cogénération en remplacement des combustibles fossiles. Dispositif de production de granulés à base de coques d’arachides comprenant : a) une unité de granulation pour coques d’arachides. b) une unité d’adjonction d’additif bio pour réduire le taux de cendre des granulés de coques d’arachides, en vue d’optimiser la combustion des coques d’arachides dans les foyers à lits fluidisés. La cacahuète (Arachys hypogaea), de même que les pois chiches, les lentilles, les haricots et les pois originaire d'Amérique du Sud, principalement utilisés à des fins culinaires, dans des produits de confiserie ou comme noix, ainsi que pour la production de biscuits, de pains, de bonbons, de céréales et de salades. En raison de son pourcentage élevé de matières grasses, les arachides sont utilisées pour les produits industriels tels que les huiles, les farines, les encres, les crèmes, les rouges à lèvres, etc. Selon l’Annuaire statistique de la FAO 43 982 066 t, produites sur 27 660 802 hectares. Les arachides sont cultivées principalement en Asie, avec un taux de production mondial de 65,3%, suivi par l’Afrique avec 26,2%, les Amériques avec 8,4% et l’Océanie avec 0,1%. L'industrie de l'arachide est l'un des principaux producteurs de déchets de l'industrie agroalimentaire (coquillages). Cette biomasse résiduelle (25-30% du poids total) a un contenu énergétique élevé qui mérite d'être exploré La coque d'arachide est le principal résidu de l'industrie des arachides et représente entre 25% et 30% du poids total de la légumineuse et est éliminée en tant que résidu dans la dernière étape de la transformation de l'arachide. Chaque année, l’industrie de l’arachide n’a pas encore exploré la production mondiale de ces déchets, qui représentent 11 millions de tonnes. Par conséquent, une grande quantité de déchets de l’industrie des arachides en cours d’élimination peut être utilisée comme biomasse à des fins énergétiques pour les pays en voies de développements à des coûts moindres. 1. Matériel et méthodes Les paramètres physiques comme l'humidité est définie comme la quantité totale d'eau contenue dans la masse totale d'un échantillon de biomasse. L'humidité peut exister sur la surface extérieure de la biomasse ou y être intégrée. Les propriétés chimiques concernent principalement la composition des éléments constitutifs de la biomasse (azote, hydrogène, carbone, oxygène et soufre). La teneur en cendres (éléments inorganiques) et le comportement sont également souvent intéressants. L'analyse élémentaire permet d'établir le pourcentage en poids des principaux éléments les plus présents dans la structure moléculaire de la matière organique : carbone (C), hydrogène (H), azote (N), oxygène (O) et soufre (S). A partir de la connaissance de ces constituants, les réactions d'oxydation peuvent être établies, de sorte que, par exemple, l'air précis de combustion (air stœchiométrique) peut être déterminé. Il existe également certaines formulations empiriques qui, sur la base du pourcentage en poids de chaque élément, permettent d'obtenir une approximation de son contenu énergétique (pouvoir calorifique) 2. Paramètres de qualité de la coque d’arachide La norme UNE-EN 14961-1 « Biocombustibles solides - Spécifications et classes de carburant -Partie 1 : Exigences générales », établie par l'Association espagnole de normalisation et de certification (AENOR), a été appliquée pour déterminer les paramètres de qualité des coques d'arachide. Les paramètres de ces normes sont indiqués dans le [Tableau 1]. Une analyse immédiate fournit l'humidité, les cendres, les matières volatiles et la teneur fixe en carbone de la biomasse, exprimées en pourcentages en poids. Fondamentalement, cette analyse sert à identifier la fraction de la biomasse dans laquelle son énergie chimique (carbone fixe et composés volatils) et sa fraction inerte (cendres et humidité) sont stockées. La matière volatile est la partie du carburant qui est libérée sous forme de gaz et de vapeurs (hydrocarbures) lorsque la biomasse est thermiquement décomposée. Le carbone fixe et les cendres sont les fractions qui restent une fois que la matière volatile a été libérée. Le carbone fixe, dans les processus de combustion, continue de brûler lentement après la libération des volatils. Les cendres sont les résidus inorganiques qui subsistent après la combustion du carbone fixe et dont la composition et les pourcentages de participation varient en fonction de la source de biomasse et des méthodes de collecte utilisées. Le pouvoir calorifique est l'énergie chimique du combustible qui peut être transformée directement en énergie thermique par un processus d'oxydation (combustion) thermochimique. Cette propriété est généralement exprimée en unités d'énergie par unité de masse (généralement kJ / kg, MJ / kg ou chaux / kg). Sa valeur est déterminée expérimentalement par un appareil appelé pompe calorimétrique. Il existe deux façons d'exprimer le pouvoir calorifique d'un combustible. Si, après la combustion, l'eau formée dans les gaz de combustion (de l'humidité ou de l'oxydation de l'hydrogène) se trouve sous forme liquide, le pouvoir calorifique le plus élevé (PCS) est obtenu. S'il reste sous forme de vapeur, le pouvoir calorifique inférieur (PCI) est obtenu. Ils peuvent être exprimés par unité de combustible humide ou de combustible sec. Les propriétés énergétiques des coques d'arachide ont été analysées à partir de leurs principaux descripteurs statistiques. De plus, ces propriétés ont été comparées à celles d'autres déchets de biomasse. 3.1. Paramètres de qualité de la coque d'arachide Des échantillons de coquilles d'arachide obtenus de l'industrie de l'arachide ont été analysés afin d'évaluer et de déterminer les paramètres de qualité. La première étape de l'application d'un carburant consiste à déterminer sa composition chimique. La composition chimique d'un carburant détermine ses propriétés, sa qualité, ses applications et les problèmes environnementaux qui peuvent provoquer sa combustion. Cf. [Tableau 2] la moyenne, la médiane, l'écart type et les valeurs minimales et maximales des différents paramètres. Il est important de connaître le pourcentage de N, S et Cl de chaque type de biomasse afin d’étudier l'impact environnemental causé par sa combustion, le pourcentage de cendres qui pose des problèmes d'efficacité thermique dans les chaudières, ainsi que les quantités de C, H, et O pour estimer le pouvoir calorifique de la biomasse en question. Les coquilles d'arachide contribuent à la conservation de l'environnement car leurs émissions dans l'atmosphère sont inférieures à celles des combustibles solides en raison de leur faible teneur en soufre (0,54%), en azote (0,50%) et en chlore (0,07%). Le [tableau 3] présente une comparaison des paramètres obtenus à partir des coques d'arachide et d'autres biocarburants utilisés dans les chaudières, comme les noyaux d'olive, les granulés de pin, les coques d'amande ou les noyaux d'avocat. Le plus grand avantage est le bilan neutre de CO2 en fermant le cycle du carbone que les plantes ont commencé à croître. Par conséquent, on peut dire que les émissions de la biomasse ne sont pas des polluants, car leur composition fait essentiellement partie du CO2 capté par la plante d'où provient la biomasse et la vapeur d'eau. L'accumulation de dépôts de cendres à l'intérieur des chaudières à biomasse pose des problèmes d'efficacité thermique et peut obstruer les conduits par lesquels circulent les gaz de combustion. Les cendres générées après la combustion de la biomasse sont particulièrement problématiques en raison de leurs points de fusion bas et des fortes concentrations de métaux alcalins qu'elles contiennent, qui favorisent la corrosion des tuyaux et des parois de la chaudière. La teneur moyenne en cendres dans la coque d'arachide est de 4,26%, ce qui, comparé à d'autres biomasses, telles que les noyaux d'olive (0,77%), les noyaux d'avocat (2,86%), les granulés de chêne (3,32%) et les coques d'amande (0,55%), on peut observer que, bien que sa valeur soit élevée, elle se situe dans les valeurs moyennes de cendres produites par d'autres biocarburants utilisés dans les chaudières. Malgré tous les avantages de la biomasse comme combustible, elle pose également des problèmes techniques importants dans les chaudières. Il est très important de considérer la teneur en Cl de la biomasse, car des cendres à bas point de fusion sont générées, qui à 700–800 C, commencent à se ramollir et ont des propriétés corrosives, donc l'impact du dépôt de ces cendres sur le système doit être pris en compte. S'il y a une grande quantité de dépôt de cendres, cela peut conduire à une défaillance qui peut entraîner un arrêt de la chaudière. Dans ce cas, un nettoyage manuel coûteux des surfaces de transfert de chaleur sera nécessaire. Si nous analysons les valeurs de chlore pour les coques d'arachide, nous pouvons voir que ces valeurs sont beaucoup plus faibles que celles obtenues pour les coques d'amandes, les granulés de pin ou les noyaux d'avocat, de sorte que son utilisation comme biocarburant améliorerait les problèmes de corrosion dans les fours. Les applications thermiques avec production de chaleur et d'eau chaude sont les plus courantes dans le secteur de la biomasse, bien qu'elles puissent également être utilisées pour la production d'électricité. La biomasse peut alimenter un système de climatisation (chaud et froid) de la même manière que s'il était alimenté au gaz, au diesel ou à l'électricité. La production thermique peut être réalisée au moyen de : - Poêles, généralement en granulés ou en bois, qui créent une seule pièce et agissent généralement simultanément comme éléments décoratifs. - Chaudières basse puissance pour maisons individuelles ou petits bâtiments. - Chaudières conçues pour un bloc ou un immeuble d'appartements, qui font office de chauffage central. - Centrales thermiques qui chauffent plusieurs bâtiments ou installations (chauffage urbain) ou un groupe de maisons. Normalement, la biomasse résiduelle a une teneur élevée en humidité (plus de 100% sur une base sèche), elle nécessite donc un conditionnement préalable pour une utilisation ultérieure à des fins énergétiques. La coque d'arachide a une très faible teneur en humidité (5,79%), ce qui est un grand avantage car il n'est pas nécessaire de la sécher à des fins énergétiques. Les valeurs du PCS et du PCI dans les coques d'arachide varient entre 18,572 et 18,522 MJ / kg et 17,122 et 17,100 MJ / kg, respectivement. Les variations sont très faibles lors de l'application de l'écart type, et ce sont des valeurs similaires à celles obtenues par d'autres auteurs : 18,920 MJ / kg ou 19,2 MJ / kg. Il est à noter que le pouvoir calorifique des coques d'arachide est similaire voire supérieur à celui des autres biocarburants. Par exemple, le PCS des coques d'arachide (18,547 MJ / kg) est plus élevé que celui des noyaux d'olive (17,885 MJ / kg) ou des coques d'amande (18,200 MJ / kg). Le tableau 3 montre cette comparaison et le rapport biomasse PCS / coque d'arachide PCS, qui montre qu'il n'y a pas de variations supérieures à 10%. De nombreuses ressources couvertes par le terme de biocombustibles solides pour la production de chaleur et / ou d'électricité sont caractérisées par leur forte teneur en humidité. Le fait que les biocarburants aient toujours une certaine teneur en humidité est dû à deux causes. D'une part, il convient de garder à l'esprit que l'eau est le véhicule de transport des nutriments dans la matière végétale, c'est-à-dire que l'eau en est une composante inhérente. En revanche, les ressources considérées ici se caractérisent comme toute matière végétale par leur hygroscopicité, c'est-à-dire par leur capacité à absorber et à perdre de l'humidité selon les conditions environnementales du milieu environnant pour maintenir l'équilibre hygrométrique. La teneur en eau peut atteindre des valeurs encore supérieures à 60% du poids total du biocarburant, augmentant les coûts liés à sa manutention (transport, stockage et alimentation en usine) et rendant difficile la réalisation de toutes les opérations nécessaires à son transformation énergétique (broyage, densification, combustion, etc.). Dans le cas des coques d'arachide, sa teneur en humidité est très faible, ce qui signifie qu'aucun traitement de séchage ne serait nécessaire, ce qui en fait un biocarburant idéal pour une utilisation dans la production de chaleur dans les chaudières domestiques ou industrielles. 3.2 Modèles prédictifs pour estimer le PCS de la coque d'arachide Le PCS (pouvoir calorifique supérieur) de la biomasse peut être calculé théoriquement à partir d'équations de corrélation qui relient la composition élémentaire de la biomasse et d'autres éléments chimiques. Le [Tableau 4] montre 20 équations de corrélation des auteurs pertinents dans ce domaine qui ont été utilisées pour calculer la valeur PCS de différentes biomasses à partir des valeurs expérimentales de leur composition élémentaire, soufre, cendres, carbone fixe et matières volatiles. Il convient de garder à l'esprit que les formules analysées correspondent à la prédiction PCS pour différents types de biomasse, dans laquelle le nombre d'échantillons ou la méthodologie d'analyse utilisée doivent être pris en compte. Par conséquent, il convient de noter que malgré les origines différentes des formules proposées par les différents auteurs, les résultats de prédiction du PCS à partir des coques d'arachide sont très similaires. Le [Tableau 5] résume les résultats obtenus en appliquant les équations du [Tableau 4] Ces résultats de prédictions nous édifient sur la valeur PCS. Si nous observons le [Tableau 5], le meilleur résultat de prédiction de la valeur PCS pour la coque d'arachide a été obtenu avec l'équation (12) avec un écart de 0,165%, suivie par l'équation (11), proposée par Demirbas et al. (2004), avec un écart de 0,259%. À la troisième place se trouve l'équation (9), proposée par Tillman (1978), avec un écart de 0,444%, et quatrièmement, l'équation (18). Seulement il convient de noter que les équations (9), (11), (12) et (18) ne nécessitent qu'un seul paramètre pour leur calcul, en supposant que le PCS est une fonction linéaire de sa teneur en carbone, puis l’équation algébrique a la forme PCS = a + b·C, où C est la teneur en carbone (%). Cela s'est avéré être la formule la plus optimale pour le calcul du PCS, avec une erreur attendue de moins de 1% en valeur absolue. Il convient de noter que le carbone et l'oxygène représentent presque toujours environ 90% du poids de la biomasse et que la corrélation entre le carbone et l'oxygène est également élevée, les résultats sont donc logiques. Par conséquent, le principal avantage de cette équation est qu’en utilisant les données d'une composante élémentaire de la biomasse comme le carbone, aucun équipement de laboratoire plus sophistiqué n'est nécessaire, qui n'est pas toujours disponible partout. 3.3 Potentiel de la coque d'arachide pour réduire les émissions de CO2 Les émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère sont une préoccupation environnementale majeure. Considérée comme l'une des raisons du changement climatique, une alternative aux énergies fossiles fait son chemin : la biomasse. La combustion de combustibles fossiles est l'une des principales raisons du réchauffement climatique. La recherche de sources d'énergie pour remplacer le charbon ou le pétrole est nécessaire pour maintenir un développement économique durable. Cette section montre les avantages de l'utilisation des coques d'arachide comme biocarburant pour réduire les émissions de CO2. Une fois que les différents paramètres énergétiques de la coque d'arachide sont connus, sa puissance énergétique peut être calculée à partir de la production mondiale d'arachides en utilisant l'équation : Ec = RH Pc PCS fs Uc où : Ec est le potentiel de production d'énergie utilisant la coque d'arachide comme biocarburant dans chaque pays (MWh); RH est l'humidité relative (10%);Pc est la production de coquilles d'arachide dans chaque pays (kg); PCS est le pouvoir calorifique supérieur (18,547 MJ / kg); fs est le facteur de coquille dans une cacahuète entière (30%); Uc est la conversion unitaire (0,000277778 Wh / J). La plus grande production d'énergie à partir de coquilles d'arachide se trouve en Chine (25 579,75 MWh), suivie par l'Inde (11 440,42 MWh), le Nigéria (5 253,69 MWh), les États-Unis (3637,60 MWh) et le Soudan (2891,79 MWh). Dans de nombreux pays industrialisés, la biomasse représente plus de 50% de la consommation nationale d'énergie. Là, la consommation de biomasse énergétique est souvent beaucoup plus faible en raison de la contribution prédominante à la consommation de « combustibles fossiles ». Cette situation a atteint un tournant dans les années 1970 avec la première crise pétrolière, apport des « combustibles fossiles » qui nous a permis d’entrevoir l’insoutenabilité d’un modèle basé sur l’utilisation quasi exclusive de la crise fossile. Depuis lors, il y a un intérêt croissant pour les économies d'énergie et l'efficacité énergétique comme la consommation de ressources renouvelables locales, y compris la biomasse, avec le double objectif de réduction ainsi que la consommation de ressources renouvelables locales, y compris la biomasse, avec le double objectif énergie dépendance et émissions de CO2. Par conséquent, pour limiter cette augmentation des émissions, stratégique de réduire la dépendance énergétique et les émissions de CO2. Afin de limiter cette augmentation, des plans stratégiques tels que le cadre stratégique de l'Union européenne pour 2030 ou le plan d'énergie propre ont été mis en œuvre, dans lesquels les États-Unis s’engagent à réduire ses émissions de CO2 de 32% d'ici 2030. La compétitivité énergétique doit être complétée par d'autres mesures pour lutter contre le changement climatique, c'est-à-dire pour freiner l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre sans nuire à la croissance économique : - Amélioration de l'efficacité. - Limitation des centrales électriques au charbon inefficaces - Baisse des émissions de méthane provenant du pétrole et du gaz. - Réforme des subventions aux combustibles fossiles. - Augmentation des énergies renouvelables, sans que leur utilisation n'entraîne une perte de concurrence par rapport aux autres pays où il n'y a pas de mesures de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Dans ce travail, la réduction de CO2 qui résulterait de l'utilisation de coques d'arachide comme source d'énergie a été évaluée en utilisant, les valeurs d'émissions totales pour 2014 (dernière mise à jour) fournies par les valeurs de la Banque mondiale de données pour 2014 (dernière mise à jour) (http://databank.worldbank.org/data/home.aspx) et les données sur la production mondiale d'arachides de la même année (2014) fournies par la FAO ont été pris comme référence. Il a également été considéré que si l'énergie pouvant être produite à partir de coques d'arachide était produite à partir de sources d'énergie conventionnelles, celles-ci généreraient e, 0,357 t de ces CO2. Par conséquent, les économies mondiales de CO2 seraient équivalentes à si l'énergie produite par la coque d'arachide était produite par des sources conventionnelles. Il est logique que les plus grandes économies d'émissions de CO2 se produisent dans les pays ayant la plus forte production d'arachides, car ils seraient les plus grands producteurs d'énergie avec ce biocarburant. Les 10 principaux pays sont : la Chine (18,22 kt), l'Inde (4,08 kt), le Nigeria (1,88 kt), le Myanmar (0,83 kt), l'Argentine (0,64 kt), le Tchad (0,44 kt), le Sénégal (0,37 kt), la Tanzanie (0,90 kt) et aux États-Unis (1,30 kt). Les résidus de biomasse sont une source potentiellement énorme de matériaux producteurs d'énergie. Cette étude a évalué les paramètres énergétiques des coques d'arachide comme un biocarburant solide possible appliqué comme source d'énergie dans les installations de chauffage industrielles et résidentielles, la réduction des émissions mondiales de CO2 qui résulterait de leur utilisation. Le PCS est une propriété majeure des carburants issus de la biomasse. Le PCS des coques d'arachide obtenues (18,547 MJ / kg) est plus élevé que d'autres sources de biomasse telles que les coques d'amandes (18,200 MJ / kg) ou les noyaux d'olive (17,885 MJ / kg) et similaires aux autres sources de biomasse actuellement utilisées pour l'industrie et la maison dans des applications de chauffage. Différents modèles de prédiction de la valeur PCS proposés par les scientifiques pour différents types de biomasse ont été analysés et celui qui correspond le mieux au calcul de la coque d'arachide de la biomasse a été déterminé. Par conséquent, parmi les équations mathématiques analysées pour l'estimation du PCS, les meilleures performances étaient des équations linéaires basées uniquement sur la teneur totale en carbone, qui ont montré un écart inférieur à 1% ; Plus précisément, PCS = -3,147 + 0,468 C. Les possibilités d'applications de l'utilisation de sources d'énergie renouvelables telles que la biomasse pour remplacer la combustion de combustibles fossiles en tant que source d'énergie primaire sont vitales dans tous les pays du monde. Les arachides sont cultivées principalement en Asie, avec un taux de production mondial de 65,3%, suivies par l'Afrique avec 26,2%, les Amériques avec 8,4% et l'Océanie avec 0,1%. La réduction de CO2 qui résulterait de l'utilisation de coques d'arachide comme source d'énergie a été évaluée. Les 10 pays avec les plus fortes économies de CO2, Chine (18,22 kt), Inde (4,08 kt), Nigéria (1,88 kt), Myanmar (0,83 kt), Argentine (0,64 kt), Tchad (0,44 kt), Sénégal (0,37 kt), République-Unie de Tanzanie (0,90 kt) et aux États-Unis (1,30 kt). Dispositif de production de granulés à base de coques d’arachides comprenant : a) une unité de granulation pour coques d’arachides b) une unité d’adjonction d’additif bio pour réduire le taux de cendre des granulés de coques d’arachides, en vue d’optimiser la combustion dans les foyers à lits fluidisés. Agro pellet à base de coques d’arachides obtenu dans le dispositif de production selon la revendication 1.